Validación en modelo 3D (COMSOL) del comportamiento de la distribución de velocidades experimentales de un flujo detras de una macrorugosidad

Abstract

En los canales abiertos es habitual la aparición de zonas de baja velocidad que favorecen la sedimentación, ya sea por causas naturales (curvaturas, cambios de sección y aportes laterales) o por condicionantes antrópicos (obras y dispositivos de control). Estas zonas pueden comprometer la navegabilidad y la operación de tomas e infraestructuras asociadas. Se propone una intervención discreta y de bajo impacto mediante una macrorugosidad (placa) colocada sobre el fondo para inducir mezcla y reconfigurar el campo de velocidades sin modificar el resto del canal. El objetivo es evaluar si un modelo RANS k–ε en COMSOL reproduce con fiabilidad los perfiles de velocidad medidos en laboratorio, de modo que pueda apoyar el diseño de estas actuaciones. Se implementa un modelo 3D del canal que resuelve el flujo turbulento con cierre k–ε y funciones de pared. El fluido es agua; las paredes se modelan con condición de no deslizamiento (rugosidad activada únicamente en el fondo); se impone un caudal prescrito en la entrada y una presión de referencia en la salida. La validación compara perfiles de velocidad antes y después de la placa. El ajuste global es sólido: las mayores discrepancias aparecen inmediatamente tras la macrorugosidad, donde la estela genera separación y recirculación, y se reducen conforme el flujo recupera su régimen aguas abajo. Desde una perspectiva operativa, los resultados indican que una macrorugosidad localizada puede reconfigurar los patrones de velocidad y ayudar a mitigar depósitos en puntos críticos. Como implicación de gestión, esta solución puede complementar el dragado de mantenimiento y, en algunos casos, reducir su frecuencia cuando existen focos persistentes de deposición, con el consiguiente ahorro operativo. Su viabilidad debe evaluarse caso a caso con el propio modelo, considerando las condiciones hidráulicas y de operación. En conjunto, el modelo en COMSOL resulta útil como herramienta de apoyo para el diagnóstico y el diseño de intervenciones discretas de gestión de la sedimentación.

Open channels commonly develop low-velocity zones that promote sediment deposition, whether due to natural causes (curvature, section changes, lateral inflows) or anthropogenic constraints (structures and control devices). These zones can impair navigability and the operation of intakes and associated infrastructure. We test a discrete, low-impact intervention using a bed-mounted macro-roughness (plate) to induce mixing and reconfigure the velocity field without modifying the rest of the channel. The aim is to assess whether a COMSOL RANS k–ε model can reliably reproduce laboratory velocity profiles to support the design of such measures. A 3D channel model is implemented that solves turbulent flow with the k–ε closure and wall functions. The fluid is water; walls are no-slip (roughness activated on the bed only); a prescribed flow rate is imposed at the inlet and a reference pressure at the outlet. Validation compares velocity profiles upstream and downstream of the plate. The overall agreement is strong: the largest discrepancies arise immediately behind the macro-roughness, where the wake induces separation and recirculation, and they diminish as the flow recovers downstream. Operationally, the results indicate that a localized macro-roughness can reshape velocity patterns and help mitigate deposition at critical points. As a management implication, this solution can complement maintenance dredging and, in some cases, reduce its frequency when persistent deposition hotspots exist, yielding operational savings. Feasibility should be evaluated case by case with the model, considering hydraulic and operational constraints. Overall, the COMSOL model proves useful as a decision-support tool for diagnosing and designing discrete sediment-management interventions.

En els canals oberts és habitual la formació de zones de baixa velocitat que afavoreixen la deposició de sediments, ja sigui per causes naturals (curvatures, canvis de secció i aportacions laterals) o per condicionants antròpics (obres i dispositius de control). Aquestes zones poden comprometre la navegabilitat i l’operació de preses d’aigua i infraestructures associades. Es proposa una intervenció discreta i de baix impacte mitjançant una macrorugositat (placa) col·locada al llit per induir barreja i reconfigurar el camp de velocitats sense modificar la resta del canal. L’objectiu és avaluar si un model RANS k–ε a COMSOL pot reproduir amb fiabilitat els perfils de velocitat mesurats al laboratori per donar suport al disseny d’aquestes actuacions. S’implementa un model 3D del canal que resol el flux turbulent amb tancament k–ε i funcions de paret. El fluid és aigua; les parets són d’adherència (rugositat activada només al llit); s’imposa un cabal prescrit a l’entrada i una pressió de referència a la sortida. La validació compara perfils de velocitat aigües amunt i aigües avall de la placa. L’acord global és sòlid: les discrepàncies més grans apareixen just darrere de la macrorugositat, on el deixant genera separació i recirculació, i es redueixen a mesura que el flux es recupera aigües avall. Des del punt de vista operatiu, els resultats indiquen que una macrorugositat localitzada pot reconfigurar els patrons de velocitat i ajudar a mitigar dipòsits en punts crítics. Com a implicació de gestió, aquesta solució pot complementar el dragatge de manteniment i, en alguns casos, reduir-ne la freqüència quan hi ha focus persistents de deposició, amb l’estalvi operatiu corresponent. La viabilitat s’hauria d’avaluar cas per cas amb el model, considerant les condicions hidràuliques i d’operació. En conjunt, el model a COMSOL és útil com a eina de suport per al diagnòstic i el disseny d’intervencions discretes de gestió dels sediments.