1. INTRODUCCIÓN
1.2 APROVECHAMIENTO TOACHI – ALLURIQUÍN
1.2.1PRESA TOACHI Y OBRAS ANEXAS
La presa del Toachi, como todas las presas de hormigón, fue construida en bloques separados, ésta en particular consta de 9 bloques verticales estructuralmente firmes para soportar la presión del embalse.
1.2.1.1Presa Toachi
La presa del Toachi consta de una pantalla de hormigón a gravedad de 60 m de altura asentada en la cota 914 msnm, con una longitud de 157.00 m y anchos de 12.00 m y 22.00 m en la corona a la cota 973 msnm, es atravesada por una galería de 3.50 x 5.60 m desde el túnel de descarga Sarapullo hasta el túnel de presión Toachi – Alluriquín. Sus paramentos son inclinados, aguas arriba con pendiente (V: H) 1: 0.3 y aguas abajo 1: 0.7. Aguas arriba se embalsan 8.5 hm3, con un volumen de regulación diaria entre las cotas 970.00 msnm y 965.00 msnm de 2.00 hm3. El transporte de sedimentos en el embalse se estima que es de 0.86 hm3 al año.
1.2.1.2Minicentral Toachi
Esta minicentral que aprovecha el caudal ecológico de 4.14 m3/s del río Toachi y la caída bruta de 41 m del embalse, se encuentra en el bloque 5 y consta de una turbina de eje vertical tipo Francis que genera 1.4 MW.
1.2.1.3Vertederos de excesos
Los dos vertederos de excesos que tiene la presa se ubican por separado en los bloques 3 y 4, su punto más alto es la cota 962.50 m, contienen compuertas radiales de B: 14 m y H: 7.50 m que controlan el nivel máximo de operación las que completamente abiertas forman parte del perfil del vertedero.
Los vertederos permiten descargar 1000 m3/s que es el caudal de crecida para un periodo de retorno de 1000 años, por medio de saltos en esquí con su labio en la cota 942.25 msnm, que además cuentan con deflectores que permiten la aireación de los chorros y disipar la energía de los chorros de agua antes del impacto con el estanque aguas debajo de la presa.
1.2.1.4Desagües de fondo
Son dos desagües de fondo ubicados en los bloques 3 y 4 con capacidad para descargar 500 m3/s, controlan el desfogue del agua mediante compuertas radiales accionadas por servomotores, la cresta de los desagües se ubica en la cota 927 msnm.
1.2.2OBRAS DE CONDUCCIÓN
1.2.2.1Túnel de presión Toachi Alluriquín
Túnel de sección libre circular de 5.60 m de diámetro con capacidad para transportar un caudal máximo de 100 m3/s. Inicia en la cota 952 msnm al final de la galería de interconexión y recorre una longitud de 8.75 km transportando las aguas que provienen del embalse de la presa Toachi más las aguas de la central Sarapullo y termina en la cota 779.50 msnm en la central Alluriquín en el inicio del blindaje de acero de la tubería de presión.
1.2.2.2Tubería de presión Alluriquín
Es una tubería de acero de espesor 15 mm y diámetro interno de 4.70 y recubierta de hormigón de 0.60 m de espesor, que se divide en tres ramales de diámetro de 2.70 m para empatar con la válvula mariposa en la casa de máquinas.
1.2.2.3Chimenea de equilibrio superior Alluriquín
Esta estructura regula las presiones del agua que van a la casa de máquinas y amortigua las fuertes presiones provocadas por golpe de ariete debido a la interrupción abrupta de las turbinas, trasformando la energía cinética en energía potencial
1.2.3Casa de máquinas Alluriquín
Es una estructura de hormigón de varios niveles subterránea construida en la margen izquierda del río Toachi, consta de tres turbinas tipo Francis con una potencia nominal de 68 MW y un caudal de diseño de 33.33 m3/s para cada una, tres válvulas de guardia tipo mariposa de 2.40 m de diámetro, entre otras estructuras.
1.2.4OBRAS DE DESCARGA
1.2.4.1Chimenea de equilibrio inferior Alluriquín
Se encuentra ubicada de manera paralela a la casa de máquinas, su función es la de asegurarla sumergencia de las turbinas Francis para evitar que se produzcan presiones negativas en el caso de cierre de las turbinas en el sistema casa de máquinas-descarga.
1.2.4.2Túnel y estructura de descarga
Túnel de descarga de diámetro interno de 5.60 m revestido de hormigón armado de 0.30 m que empieza desde la chimenea de equilibrio inferior hasta llegar al río donde se produce la devolución del agua al cauce natural.
1.2.4.3Subestación Alluriquín
Se encuentra cerca de la salida de la descarga, tipo SF6 de doble barra y 245kV, sirve para recibir la energía generada en la central Sarapullo y transferirla junto con la producida en la Central Alluriquín al Sistema Nacional Interconectado.
1.3
JUSTIFICACIÓN
1.3.1JUSTIFICACIÓN TEÓRICA
El uso de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para la modelación de todo tipo de fenómenos y flujos, empezó aproximadamente en los años 50. En la actualidad la CFD ha ganado terreno respecto a otros métodos debido a la existencia de modernos computadores que nos permiten resolver las ecuaciones de Navier-Stokes, que gobiernan la Mecánica de Fluidos, mediante procesos iterativos. De esta manera la CFD se ha transformado en una herramienta que complementa los estudios teóricos y los experimentales (Fernández, 2012).
El aporte que brindará la presente investigación está enfocado en la identificación de los parámetros hidráulicos más sensibles en el flujo sobre los vertederos de excesos tipo cimacio considerando diferentes escenarios de simulación.
1.3.2JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA
Algunos investigadores han desarrollado ecuaciones empíricas para determinar las características hidrodinámicas del flujo sobre los vertederos, las cuales dan como resultado una aproximación a valores obtenidos mediante modelos físicos.
Como afirma Mateos (2000) una de las propiedades del modelo físico es el empleo de una réplica a escala del prototipo. El problema fundamental consiste en realizar el modelo con las escalas convenientes para poder representar un comportamiento semejante al del prototipo.
Para la construcción del modelo físico se deben tener en cuenta algunas características del laboratorio en el cual se desarrollará dicho modelo; tales como personal especializado para su construcción y correspondiente operación, espacio disponible y equipos de medida. En algunas ocasiones las escalas consideradas como apropiadas implican ciertas dimensiones que sobrepasan la capacidad del laboratorio (Mateos, 2000).
El fenómeno por simular es de tipo tridimensional, por lo que es necesario la aplicación de un modelo que cumpla con la tipología descrita anteriormente, y permita a la vez aproximarse de una mejor manera a la realidad. Para lograr esto se empleará un paquete computacional CFD, el cual será FLOW 3D. La metodología seleccionada optimiza tiempo y costo a diferencia del modelo físico. El modelo numérico tridimensional brinda mayor versatilidad, en cuanto se refiere a la creación de varios escenarios al mismo tiempo, siempre y cuando dicho modelo se encuentre correctamente calibrado y validado (Vásquez, 2003).
1.3.3JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA
Con la presente investigación se pretende realizar un análisis comparativo de las variables hidráulicas sobre los vertederos de excesos, tales como: presión, calado y alcance del chorro, considerando los resultados del modelo numérico, los resultados del modelo físico y los obtenidos aplicando las fórmulas empíricas de la literatura técnica. De esta manera se podrá generar recomendaciones en la modelación numérica de este tipo de obras hidráulicas.
1.4
ALCANCE
La finalidad del presente proyecto de titulación consiste en llevar a cabo la modelación numérica tridimensional de los vertederos de excesos de la presa Toachi, mediante el empleo del paquete computacional FLOW-3D, determinando el mallado apropiado, condiciones iniciales y de borde pertinentes, además del modelo de turbulencia que represente mejor el fenómeno de despegue del chorro a la salida del salto en esquí de los vertederos de excesos de la Presa Toachi, con el objetivo de calibrar y validar el modelo numérico para la serie de caudales ensayados en el modelo físico a escala 1:50 realizado en el Centro de Investigaciones y Estudios de Recursos Hídricos (CIERHI) en el año 2013. Se elaborará finalmente una guía metodológica para la modelación numérica de este tipo de estructuras.
1.5
OBJETIVOS
1.5.1OBJETIVO GENERAL
Realizar la modelación numérica tridimensional del flujo sobre los vertederos tipo cimacio de la presa Toachi, aplicando la metodología de la dinámica de fluidos computacional (CFD).
1.5.2OBJETIVOS ESPECÍFICOS
· Evaluar el funcionamiento hidráulico de los vertederos de excesos de la presa Toachi para la condición más crítica de descarga a través del paquete computacional FLOW-3D.
· Determinar los parámetros más sensibles mediante la modelación numérica tridimensional de los vertederos de excesos, tales como mallado y modelo de turbulencia.
· Comparar los resultados del modelo físico mediante la simulación numérica tridimensional de los vertederos de excesos para calibrar y validar el modelo numérico.