1. Introducción

Actualmente en muchas ciudades existen sistemas de alcantarillado combinado que descargan sus aguas directamente a los ríos (Gunl et al, 2010). Gracias a un cambio de legislación es necesario depurar el caudal sanitario antes de la descarga. Para cumplir este propósito es necesario una estructura separadora de caudales combinados. Muchas ciudades están implantadas en la región andina, cuyas características son pendientes fuertes y una topografía abrupta. Esto ha ocasionado que gran parte de los sistemas de alcantarillado tengan pendientes fuertes y trabajen siempre en un régimen supercrítico (Froude >1.0).

Gracias al avance y desarrollo en computación hoy en día la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una metodología accesible y ampliamente utilizada siempre y cuando el modelo numérico sea validado y calibrado previamente. Los softwares CFD resuelven con un alto grado de aproximación flujos rápidos con introducción de aire, presencia de ondas y su interacción con las estructuras hidráulicas dando un sinnúmero de resultados que no se pueden obtener en el modelo físico por el grado de detalle.

El propósito del presente trabajo es utilizar las ventajas de la metodología CFD para evaluar el funcionamiento hidráulico de una estructura separadora de caudales combinados y como afecta la pendiente de aproximación y el flujo en régimen supercrítico a la estructura hidráulica.

2. Metodología

2.1 Caso de estudio

El caso de estudio corresponde a un separador de caudales tipo muy utilizado en la ciudad de Quito, Ecuador. Tiene un canal de aproximación de sección 1.80m x 1.80m y 2.87% de pendiente longitudinal. En la zona de separación (al final del canal combinado) se sitúan: un umbral transversal trapezoidal de 0.6 m de alto x 2.0m y hacia la margen izquierda un orificio rectangular de 0.6m de alto x 1.9 m de ancho que descarga en el canal sanitario de sección 1.2m x 1.2m y pendiente del 1% (EPMAPS 2012). Finalmente, a continuación del umbral inicia el canal de descarga hacia el rio o cauce natural denominado canal pluvial de sección 2.0m x 2.0m y 0.47% de pendiente longitudinal. La Figura 1 presenta una vista tridimensional del separador de caudales analizado.

Figura 1. Vista tridimensional del separador de caudales, pendiente de aproximación 2.87%, ancho canal 1.80m, orificio rectangular lateral 0.60x1.90m en prototipo

2.2 Modelo numérico

Para la simulación numérica se utilizó el software comercial de Dinámica de Fluidos Computacional ANSYS CFX 16.0. Este software utiliza el método de volúmenes finitos para la resolución de las ecuaciones conservativas utilizando la aproximación de las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes mejor conocidas como ecuaciones RANS (ANSYS CFX 2016). Para la solución del problema de cierre se utiliza un modelo de turbulencia de dos ecuaciones RNG k-ε que ha sido ampliamente utilizado a nivel mundial.

Para la discretización del dominio computacional se ha utilizado un mallado estructurado con elementos hexaédricos de tamaño 0.01m. Loa elementos hexaédricos presentan mejores resultados que los elementos tetraédricos en la convergencia de la solución numérica y el numero de elementos se reduce considerablemente (Carrillo, Castillo 2011). Se tiene un total de 849.233 elementos, la resolución numérica se realiza en un ordenador DELL de 8 procesadores de 3.5 GHz de velocidad y 32 gigas de memoria RAM.

Las condiciones de contorno utilizadas corresponden a los datos medidos en un modelo físico a escala 1:5 construido en el Laboratorio del CIERHI, el modelo utiliza el criterio de similitud de Froude. Como condición inicial se utiliza el caudal y calado medido en el tramo de aproximación y la salida corresponde a una condición abierta a la atmosfera (Presión=0).

3. Análisis de resultados

Los caudales combinados (Qc) son derivados en un caudal sanitario (Qs) que va directamente a la planta de tratamiento y un caudal pluvial (Qp) que se descarga al rio o cuerpo receptor (Andrade 2012). En la tabla 1 se indica los caudales derivados tanto en el modelo físico escala 1:5 como en el modelo numérico CFD en ANSYS CFX.

Tabla 1. Caudal sanitario y pluvial, Modelo físico escala 1:5 y Simulación Numérica ANSYS CFX 16.0

Para caudales del orden de 10 a 25 l/s equivalentes únicamente al caudal sanitario en época de verano la pared de cierre funciona correctamente. La pared desvía todo el caudal hacia el orificio rectangular lateral como se puede evidenciar en la Figura 2. Para caudales mayores (época de invierno) la separación de caudales se cumple, sin embargo, el flujo llega con alta velocidad y parte de este choca en la arista lateral del orificio

Figura 2. Modelo Físico escala 1:5, vista superior Qs=9.58 l/s,

El modelo numérico CFD reproduce el comportamiento de flujo obtenido en el modelo físico con las condiciones iniciales antes descritas, así como sus porcentajes de derivación son similares. En la Figura N 3 se puede observar los resultados del modelo ANSYS CFX para un caudal de 9.58 l/s. Gracias al nivel de detalle del modelo numérico se evidencia zonas muertas de baja velocidad que podrían a futuro ocasionar problemas de sedimentación.

Figura 3. ANSYS CFX, Velocidades Q=9.58 l/s, Fr=3.27, Qs=9.58 l/s, Qp=0.0 l/s.

Uno de los aspectos evidenciados en el modelo físico es que, para caudales máximos se observa un ligero choque del flujo en la arista recta del orificio rectangular lateral. Se vio la importancia de analizar las presiones para todo el rango de caudales con ayuda del modelo numérico CFD. En la Figura 3 se indica las presiones obtenidas a distintas alturas del orificio rectangular lateral y en el centro del umbral.

Figura 2. Presiones obtenidas en ANSYS CFX en la pared orificio y en la pared de cierre

Es necesario considerar que el funcionamiento del separador de caudales en época de invierno (caudales mayores) no es el adecuado. El funcionamiento está directamente relacionado con la pendiente de aproximación del colector, flujos en régimen supercrítico y números de Froude altos (Froude ≈3.5)

Como continuación del presente trabajo se deberá proponer una optimización al diseño utilizando las ventajas conjuntas del modelo físico escala 1:5 y de la metodología CFD, planteando varias alternativas y adicionalmente considerando un análisis de concentraciones y balance de masas para la parte sanitaria.

3. Conclusiones

Las estructuras separadoras de caudal son obras muy importantes en los sistemas de alcantarillado combinado. En ciudades andinas debido a las pendientes topográficas fuertes muchas estructuras deben trabajar con flujos en régimen supercrítico. La metodología CFD es una herramienta muy útil para evaluar el comportamiento hidráulico de una estructura. El paquete comercial ANSYS CFX y el modelo de turbulencia RNG k-ε reproduce el flujo de manera similar al ensayado en el modelo físico.

El separador de caudales evaluado funciona correctamente hasta un rango de caudales de 50l/s, para caudales mayores debido a las altas velocidades se produce un choque en la parte lateral del orificio rectangular. El modelo numérico permite evaluar las presiones en esos puntos, ya que presiones demasiado altas pueden ocasionar daños en el hormigón de la estructura a corto y mediano plazo.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Centro de Investigaciones y Estudios en Recursos Hídricos CIERHI-EPN de la Escuela Politécnica Nacional por las facilidades y financiamiento brindado para la ejecución del proyecto de investigación.

Referencias

Andrade, L. (2012). “Diseño de la Red Metropolitana Ambiental de la Calidad del Recurso Hídrico, diagnóstico”. Secretaría de Ambiente del DMQ, Quito-Ecuador.

ANSYS CFX (2016). “ANSYS CFX, Reference Guide”. Release 16.0.

Bayón, A., Macián-Pérez, J. F., Río, F., Conesa, F. J., y García-lorenzana, D. (2017a). “Modelado CFD del flujo aire-agua en un desagüe de fondo de presa”, V Jornadas de Ingeniería del Agua, A Coruña.

Calderón, D. (2017) “Modelación física de separadores de caudales hacia colectores pluvial y sanitario para alcantarillados combinados usados en ciudades andinas en Ecuador. Caso de descontaminación y recuperación del rio Machángara en Quito” Instituto de Ingeniería Sanitaria, Universidad de Buenos Aires, Argentina.

Carrillo, J. Castillo L. (2011). “Consideraciones del mallado aplicadas al cálculo de flujos bifásicos con las técnicas de dinámica de fluidos computacional” IV Jornadas de Introducción a la Investigación de la UPCT.

Castillo, L. Carrillo J. Castro, M. Hidalgo, X. Ortega, P. (2016) “Experimental and numerical study of scour downstream Toachi Dam” Sustainable Hydraulics in the Era of Global Change.

EPMAPS, (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores en el Río Machángara, Quebrada Caupicho”. Quito-Ecuador.

Guhl, E., Montes, P., & Encalada, G. (2010). “El agua de los Andes”. Comunidad Andina, 42 p.

Ortega, P. (2015) “ Simulación Numérica de una estructura separadora de caudales con metodología CFD aplicando el paquete computacional ANSYS CFX.” Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental Escuela Politécnica Nacional del Ecuador.

Lucero, C. Santamaria, J. (2018). “Estudio experimental en modelo físico de una estructura separadora de caudales con umbral transversal, orificio lateral y régimen de aproximación supercrítico, caso de estudio “Quebrada Caupicho” Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental, Escuela Politécnica Nacional.