Experimentación física y numérica de la hidrodinámica local de rejas de fondo transversales al flujo en captaciones de agua superficial

Abstract

En todo proyecto de recursos hídricos con fines de uso municipal, agrícola, industrial, producción de energía, etc., es necesario separar del agua una amplia variedad de sólidos. Todos los tipos de captación de agua superficial deben tener la capacidad de excluir del agua los desechos, peces, sedimentos y otros materiales. En los últimos años, ha aumentado la necesidad de una exclusión eficaz de los sólidos presentes en el agua. Los sistemas de riego modernos (p. ej., goteo, aspersores, válvulas, bombas) necesitan un mayor filtrado que el riego por inundación convencional. Se requiere la remoción sedimentos para proyectos de captación de agua a pequeña escala en áreas distantes, especialmente en aquellas que se encuentran en zonas agrestes de difícil acceso que limita o impide realizar las actividades de operación y mantenimiento con regularidad. Uno de los métodos más utilizados para la captación de agua superficial en ríos de montaña con fuertes pendientes y cauces irregulares con importante transporte de sedimentos y caudales de inundación, son las rejas de fondo. Las rejas están diseñadas para capturar la mayor cantidad de agua posible, evitando la entrada de material sólido. Un tipo de reja de fondo no convencional con barras transversales al flujo que se utiliza con excelentes resultados en la separación sólido líquido en la captación de agua superficial, es la denominada reja de efecto Coanda. En la presente investigación se estudió de manera experimental y numérica el funcionamiento hidrodinámico local de rejas de fondo con barras transversales al flujo. En la fase experimental se trabajó con agua limpia y con sedimento. En la fase numérica se trabajó con agua limpia. Las características más relevantes de las rejas estudiadas y que las diferencian considerablemente de las rejas de fondo convencionales, son la disposición de las barras respecto al sentido del flujo, la inclinación longitudinal y la separación entre barras. La ranura estándar de una reja de efecto Coanda es de 1mm, en el presente estudio se utilizaron separaciones de 1 y 2mm. El funcionamiento de las rejas consiste en un flujo de agua en régimen supercrítico que pasa sobre barras dispuestas perpendicularmente a la dirección del flujo. Se utilizó como base la reja de efecto Coanda con barras estándar de sección triangular o tipo cuña. Con fines comparativos y de factibilidad constructiva y económica, se evaluaron dos formas de barra alternativas de sección circular y semicircular. El uso de las rejas está orientado a la captación de agua superficial para consumo en poblaciones rurales menores a 1000 habitantes de países en desarrollo como Ecuador, por tal razón el caudal que se utilizó para todos los experimentos fue de 2.5 L/s. Para la experimentación física se construyó un prototipo de laboratorio, este consiste en un canal rectangular prismático de pendiente ajustable, las características geométricas del canal son: longitud 2m; ancho 9.3 cm, rango angular de la pendiente de 20° a 45° respecto a la horizontal. El objeto principal fue determinar la eficiencia de las rejas en cuanto a captación de agua limpia, así como a la remoción de sedimento. Los resultados de la experimentación física demuestran que la reja de barras de sección triangular es más eficiente en cuanto a captación de agua limpia, mientras que, en términos de exclusión de sedimento, el mejor rendimiento lo presenta la reja de barras de sección circular. La experimentación numérica se desarrolla con el uso del código ANSYS FLUENT. Un estudio paramétrico CFD en 2D fue desarrollado para evaluar la influencia sobre el flujo de agua limpia capturado de variables geométricas como la inclinación de la reja, posición de la reja a lo largo del canal (zonas alta, media, baja); forma y ancho de la barra, tamaño de ranura. Se determina la tendencia de los flujos capturados en forma total y para cada ranura de las rejas estudiadas. Se evalúa el rendimiento de cada tipo de reja utilizando parámetros adimensionales relevantes como el número de Froude y el número de Reynolds cuyas longitudes características para su cálculo fueron la profundidad del flujo y la separación entre barras respectivamente. Los experimentos numéricos demuestran que las rejas con barras de sección triangular y circular tienen comportamientos opuestos. Las rejas con barras de sección triangular son más eficientes en términos de flujo capturado a medida que aumentan los números de Froude y de Reynolds, mientras que las rejas de barras de sección circular son más eficientes a medida que las variables adimensionales disminuyen. Los experimentos numéricos con números de Froude y Reynolds iguales, demostraron una mayor eficiencia en las rejas de barras triangulares sobre las de barras circulares de igual tamaño y separación. Se ha demostrado que aumentar el diámetro de las barras mejora la eficiencia del flujo capturado a un nivel similar al de las rejas de barras triangulares.

In any water resources project for municipal, agricultural, industrial, energy production, etc. purposes, it is necessary to separate a wide variety of solids from the water. All types of surface water intake must have the ability to exclude debris, fish, sediment, and other materials from the water. In recent years, the need for effective exclusion of solids present in water has increased. Modern irrigation systems (eg., drip, sprinklers, valves, pumps) require more filtration than conventional flood irrigation. Sediment removal is required for small-scale water harvesting projects in remote areas, especially those located in rugged areas with difficult access that limits or prevents regular operation and maintenance activities. One of the most widely used methods for capturing surface water in mountain rivers with steep slopes and irregular channels with significant sediment transport and flood flows, are bottom bars. The bars are designed to capture as much water as possible, preventing the entry of solid material. A type of non-conventional bottom screen with bars transverse to the flow that is used with excellent results in solid-liquid separation in surface water intake is the so-called Coanda effect screen. In the present research, the local hydrodynamic behavior of bottom racks with transverse bars to the flow was studied experimentally and numerically. In the experimental phase, clean water and sediment were used. In the numerical phase, clean water was used. The most relevant characteristics of the screens studied and that differ considerably from conventional bottom racks, are the arrangement of the bars with respect to the flow direction, the longitudinal inclination and the separation between bars. The standard slot of a Coanda effect screen is 1mm, in the present study 1 and 2mm separations were used. The operation of the bars consists of a flow of water in a supercritical regime that passes over bars arranged perpendicular to the direction of the flow. The Coanda effect screen with standard triangular or wedge-type bars was used as a base. For comparative, constructive and economic feasibility purposes, two alternative bar shapes with circular and semicircular sections were evaluated. The use of the bars is oriented to the capture of surface water for consumption in rural populations of less than 1000 inhabitants of developing countries such as Ecuador, for this reason the flow rate used for all the experiments was 2.5 L/s. For the physical experimentation, a laboratory prototype was built. This consists of a prismatic rectangular channel with an adjustable slope, and the geometric characteristics of the channel are: length 2m; width 9.3 cm, angular range of the slope from 20° to 45° with respect to the horizontal. The main objective was to determine the efficiency of the racks in terms of capturing clean water, as well as the removal of sediment. The results of the physical experimentation show that the triangular section bar rack is more efficient in terms of capturing clean water, while, in terms of sediment exclusion, the circular section bar rack presents the best performance. The numerical experimentation is developed with the use of the ANSYS FLUENT code. A 2D CFD parametric study was developed to evaluate the influence on the flow of clean water captured by geometric variables such as the inclination of the screen, position of the screen along the channel (top, middle, bottom zones); bar shape and width, slot size. Total flows captured and flows for each slot of the rack were calculated. The performance of each type of rack is evaluated using relevant dimensionless parameters such as the Froude number and the Reynolds number, whose characteristic lengths for their calculation were the depth of the flow and the separation between bars, respectively. Numerical experiments show that racks with triangular and circular section bars have opposite behaviors. Triangular section bar rack is more efficient in terms of captured flow as the Froude and Reynolds numbers increase, while circular section bar rack is more efficient as the dimensionless variables decrease. Numerical experiments with equal Froude and Reynolds numbers showed greater efficiency in racks made of triangular bars over those made of circular bars of equal size and spacing. Increasing the diameter of the bars improve the efficiency of the captured flow to a level similar to that of triangular bar screens.