Fernández Pato, Javier
García, Reinaldo (dir.) ; García Navarro, Pilar (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo numérico para simulaciones hidráulicas/hidrológicas. Se considera el acoplamiento de flujos superficiales y subterráneos, poniendo una atención especial a la interacción entre ambos. El flujo superficial está formulado mediante las ecuaciones de aguas poco profundas en 2D, así como el modelo Cero-Inercia en 2D e incluye componentes hidrológicas como lluvia o infiltración. Ambos modelos son discretizados usando un esquema híbrido implícito-explícito en volúmenes finitos. Así mismo, se realiza una comparación exhaustiva entre ambas discretizaciones temporales en términos de precisión y eficiencia en varias aplicaciones tanto sintéticas como reales. La eficiencia del esquema implícito es evaluada en cada caso test con el propósito de su consideración como posible estrategia de aceleración del cálculo para ciertas situaciones. Cuando se consideran simulaciones en las que interviene la transformación de lluvia en escorrentía, tiene especial relevancia la correcta estimación de las pérdidas de agua por infiltración. Con el propósito de mejorar el actual modelo de infiltración de
Green-Ampt, en este trabajo se propone la aplicación de una nueva técnica basada en el cálculo fraccionario, que da lugar a mejoras considerables en los resultados numéricos. Por otro lado, se presentan dos modelos de flujo en el subsuelo: 1) Un modelo 2D de flujo subterráneo en medios porosos basado en la ley de Darcy y la aproximación de Dupuit. El acoplamiento entre la superficie y el subsuelo tiene lugar en la frontera que conecta el nivel freático con la superficie del suelo, lo que da lugar a los procesos de infiltración y exfiltración. 2) Un modelo de drenaje basado en las ecuaciones 1D de aguas poco profundas capaz de simular flujos transitorios en una tubería que pueden llegar a presurizarse localmente. La presurización de la tubería se estima mediante el método de la rendija de Preissmann. En este caso, el acoplamiento con la superficie tiene lugar en localizaciones puntuales como sumideros o alcantarillas, donde se calcula el flujo de intercambio entre modelos. Ambos modelos subsuperficiales son validados de forma independiente mediante varios casos test con solución analítica o datos experimentales. En general, los casos test sintéticos, con solución analítica o datos experimentales presentados en esta tesis ponen de manifiesto la gran aplicabilidad de cada sub-modelo de forma particular y de ambos modelos acoplados.
Resumen (otro idioma): In this thesis, the development of a hydraulic/hydrological numerical simulation model is presented. It considers the coupling of surface-subsurface flows, paying special attention to the interactions among submodels. The surface flow is formulated by means of 2D Shallow Water flow equations and 2D Zero-Inertia flow model and includes hydrological components as rainfall or infiltration. Both models are discretized using a hybrid implicit-explicit finite volume scheme and a full comparison is carried out in terms of accuracy and efficiency in several synthetic and real world applications. The efficiency of the implicit scheme is evaluated in every test case in order to emphasize it as a feasible acceleration technique for certain situations. When rainfall-runoff simulations are considered, a correct estimation of the infiltration water losses is of crucial relevance. With the aim of improving the Green-Ampt infiltration model, a novel technique based on the fractional calculus is combined with the surface flow models, leading to promising improvements in the numerical results. On the other hand, two subsurface submodels are presented in this work: 1) A 2D vertical-averaged groundwater flow model based on Darcy's law and Dupuit approximation. The coupling between surface and groundwater flows takes place in the border connecting the phreatic level with the soil surface, leading to infiltration/exfiltration processes. 2) A drainage model based on 1D Shallow Water equations capable of simulating transient flows in a pipe which can be locally pressurized. The pipe pressurization is estimated by means of the Preissmann slot method. In this case, the coupling with the surface occurs at local points such as manholes, where the exchange surface-sewer flux is calculated. Both subsurface submodels are tested and validated independently with several analytical and experimental cases. Overall, the synthetic, analytical and experimental test cases presented in this thesis point out the good applicability of each submodel and of both coupled models.
Green-Ampt, en este trabajo se propone la aplicación de una nueva técnica basada en el cálculo fraccionario, que da lugar a mejoras considerables en los resultados numéricos. Por otro lado, se presentan dos modelos de flujo en el subsuelo: 1) Un modelo 2D de flujo subterráneo en medios porosos basado en la ley de Darcy y la aproximación de Dupuit. El acoplamiento entre la superficie y el subsuelo tiene lugar en la frontera que conecta el nivel freático con la superficie del suelo, lo que da lugar a los procesos de infiltración y exfiltración. 2) Un modelo de drenaje basado en las ecuaciones 1D de aguas poco profundas capaz de simular flujos transitorios en una tubería que pueden llegar a presurizarse localmente. La presurización de la tubería se estima mediante el método de la rendija de Preissmann. En este caso, el acoplamiento con la superficie tiene lugar en localizaciones puntuales como sumideros o alcantarillas, donde se calcula el flujo de intercambio entre modelos. Ambos modelos subsuperficiales son validados de forma independiente mediante varios casos test con solución analítica o datos experimentales. En general, los casos test sintéticos, con solución analítica o datos experimentales presentados en esta tesis ponen de manifiesto la gran aplicabilidad de cada sub-modelo de forma particular y de ambos modelos acoplados.
Resumen (otro idioma): In this thesis, the development of a hydraulic/hydrological numerical simulation model is presented. It considers the coupling of surface-subsurface flows, paying special attention to the interactions among submodels. The surface flow is formulated by means of 2D Shallow Water flow equations and 2D Zero-Inertia flow model and includes hydrological components as rainfall or infiltration. Both models are discretized using a hybrid implicit-explicit finite volume scheme and a full comparison is carried out in terms of accuracy and efficiency in several synthetic and real world applications. The efficiency of the implicit scheme is evaluated in every test case in order to emphasize it as a feasible acceleration technique for certain situations. When rainfall-runoff simulations are considered, a correct estimation of the infiltration water losses is of crucial relevance. With the aim of improving the Green-Ampt infiltration model, a novel technique based on the fractional calculus is combined with the surface flow models, leading to promising improvements in the numerical results. On the other hand, two subsurface submodels are presented in this work: 1) A 2D vertical-averaged groundwater flow model based on Darcy's law and Dupuit approximation. The coupling between surface and groundwater flows takes place in the border connecting the phreatic level with the soil surface, leading to infiltration/exfiltration processes. 2) A drainage model based on 1D Shallow Water equations capable of simulating transient flows in a pipe which can be locally pressurized. The pipe pressurization is estimated by means of the Preissmann slot method. In this case, the coupling with the surface occurs at local points such as manholes, where the exchange surface-sewer flux is calculated. Both subsurface submodels are tested and validated independently with several analytical and experimental cases. Overall, the synthetic, analytical and experimental test cases presented in this thesis point out the good applicability of each submodel and of both coupled models.
Pal. clave: simulacion ; ingenieria hidraulica ; hidrologia
Titulación: Programa de Doctorado en Mecánica de Fluidos
Plan(es): Plan 516
Departamento: Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos
Nota: Presentado: 26 02 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, 2019
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