ield and numerical investigation of mass and momentum transport mechanisms in a surface storage zone
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Date
2018
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Abstract
El flujo turbulento que se desarrolla en zonas de almacenamiento superficial en los ríos controla muchos procesos físicos y biogeoquímicos que se desarrollan en éstos. Estas zonas se caracterizan por poseer bajas velocidades y largos tiempos de residencia que favorecen la deposición de contaminantes, absorción de nutrientes e interacción con sedimentos reactivos. La dinámica del flujo en estas zonas se caracteriza típicamente por una capa de corte que induce un área de recirculación y múltiples estructuras coherentes del flujo que exhiben diferentes escalas temporales y espaciales. La dinámica del flujo entre la zona de almacenamiento superficial y el escurrimiento principal ha sido ampliamente estudiada, tanto experimental como numéricamente, sin embargo, existe escaso trabajo en el que se haya analizado las características principales del flujo turbulento y de los mecanismos de intercambio en zonas de almacenamiento superficial naturales a altos números de Reynolds. En este trabajo se analiza el flujo en una cavidad lateral del Río Lluta, en un entorno andino de gran altitud (˜ 4.000 msnm). EL Río Lluta es una importante fuente de agua para la agricultura y el abastecimiento de los distintos centros urbanos ubicados en la parte baja de la cuenca. A pesar de que éste constituye una importante fuente de agua para la actividad humana y los distintos ecosistemas ubicados aguas abajo del río, su calidad está afectada por la presencia de elementos tóxicos, especialmente arsénico. Este fenómeno es una consecuencia de las distintas fuentes hidrotermales y de la actividad volcánica en la zona alta de la cuenca, como también del legado de la minería del azufre en la región. En este trabajo caracterizamos las principales estructuras coherentes del flujo usando mediciones de terreno y simulaciones numéricas. Medimos la batimetría del lecho a alta resolución espacial, las tres componentes de velocidad instantánea en varios puntos de la zona de estudio y su campo de velocidades superficial. La topografía fue obtenida mediante DGPS y análisis computacional de imágenes. El flujo instantáneo fue medido con un velocímetro acústico Doppler (ADV) y el campo de velocidades superficial fue obtenido mediante la técnica LSPIV (Large scale particle image velocimetry). Con la información de terreno, se desarrollaron simulaciones numéricas del flujo usando un modelo DES (Detached-eddy simulation) de turbulencia acoplado con un modelo 3D de transporte de escalares pasivos. Las simulaciones fueron llevadas a cabo con un Re= 45800. Nos enfocamos principalmente en la dinámica de la capa de corte, identificada como el mecanismo principal que domina los procesos de transporte de masa y momentum entre la cavidad y el escurrimiento principal. También analizamos las estructuras 2D del flujo medio dentro de la cavidad, dado que éstas tienen una gran influencia en el transporte de masa, incrementando los tiempos de residencia de contaminantes debido a que son zonas de bajas velocidad y bajas tasas de intercambio de masa. Finalmente, analizamos el desempeño de modelos simplificados de transporte de masa para representar la dinámica del transporte a escalas temporales y espaciales mayores.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2018