modelaciÓn hidrÁulica y consideraciones de diseÑo en...
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MODELACIÓN HIDRÁULICA Y
CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN
OBRAS DE CRUCE
Julio Kuroiwa Zevallos, Mishel Reyes Castillo y Luis Castro Inga
LABORATORIO NACIONAL DE HIDRÁULICAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
LIMA - PERU
ILIEV – Instituto Latinoamericano de Investigación y Estudios Viales
1er Congreso Nacional de Carreteras09-10 de Julio de 2019
INTRODUCCIÓN
• Antecedentes.
• Modelo hidráulico del cruce de la línea 1 del Metro de Lima con el río Rímac.
• Primeros hallazgos
• Segunda Fase experimental.
• Resultados.
• Conclusiones y Recomendaciones
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Desde su fundación, en 1960, el LNH ha contribuido al diseño de obras hidráulicas, dándole soporte técnico en el modelamiento físico y también en los cálculos numéricos.la información que proporcionan los modelos físicos o numéricos es esencial para contar con las variables hidráulicas (tirantes y niveles de agua, velocidades, esfuerzos cortantes, etc.) para poder diseñar las obras que se construyen en medios fluviales, lacustres o marítimos.
ANTECEDENTES
EROSIÓN EN LAS
CIMENTACIONES DE UN
PUENTE O VIADUCTO
• Las estructuras que se apoyan sobre pilares como puentes, viaductos, etc., pueden perder estabilidad cuando se erosiona el suelo que lo sostiene.
https://bridgemastersinc.com/protecting-bridges-flood-damage/
http://rpp.pe/peru/desastres-naturales/facebook-asi-luce-el-puente-el-colapsado-puente-viru-en-la-libertad-fotos-y-video-noticia-1037985
Erosión de pilar en Puente sobre el río Cañete (antigua Panamericana Sur)
Algunos desafíos en la hidráulica fluvial
EVOLUCIÓN DE LAS CAPACIDADES DE CÓMPUTO
A fines de los años 60, se produjo el primer programa de uso general para calcular las curvas de remanso en canales naturales o artificiales, el HEC-2. Este programa era unidimensional y calculaba niveles de aguas y velocidades.
Posteriormente se generó versiones en DOS. A mediados de los años 90, se presenta una versión Windows® que toma como base el HEC-2, EL HEC-RAS V.1.0.
Empleaba una computadora tipo 386 en entorno Windows 95
“El estado del arte /hardware en el Perú no permite la realización de modelos numéricos tridimensionales para analizar los patrones de flujo en la entrada de la Batea Comezango…….. …….por lo tanto, debe construirse un modelo a escala para poder analizar los patrones de flujo en una forma “más realista”.Se empleará un modelo bidimensional, en el que se incorporarán los resultados del modelo físico.Se usará el HEC-RAS, un modelo unidimensional en el que se emplearán los resultados del modelo bidimensional y el modelo físico para calibración”.
DECÍAMOS EN EL 2008…..
Kuroiwa, Zubiaur, Campaña y Medina (2008)
NECESIDAD DE MEJORAR LA CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO
DE DATOS
En la tesis de maestría del ingeniero Dino Cerda C. se investigaron las posibles causas que causaron el colapso del puente Reque.
Se analizaron las variables hidrológicas e hidráulicas.
Se concluyó que el flujo atacaba a los elementos de apoyo del puente con un ángulo bastante alto y con una velocidad mayor a la esperada, generando mayor socavación que la que se calculó inicialmente.
Esto se pudo advertir en un modelo bidimensional.
Qin = 300.000 Qout = 299.959Depth
0.00
3.64
3.28
2.91
2.55
2.18
1.82
1.46
1.09
0.73
0.36
0.00
DIFERENCIAS ENTRE
MODELO
UNIDIMENSIONAL
(HEC-RAS 1D) Y
BIDIMENSIONAL
(RIVER 2D)
Qin = 300.000 Qout = 299.959Velocity
0.00
3.20
2.88
2.56
2.24
1.92
1.60
1.28
0.96
0.64
0.32
0.00
0 50 100 150 20045
46
47
48
49
50
51
Puente Reque Plan: Imported Plan 01
Station (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
EG PF 1
WS PF 1
Crit PF 1
0 m/s
1 m/s
2 m/s
Ground
Ineff
Bank Sta
.03 .03 .03
El modelo bidimensional demostró que las velocidades eran más altas que las esperadas en los pilares del puente..esto no se pudo apreciar en la salida del del programaHEC-RAS (Unidimensional)..
Modelo 1 D – Velocidades desde aguas arriba
Modelo 2 D – Velocidades mayores en pilares
PROYECTO DEL TRAMO 2 DE LA LÍNEA 1 DEL METRO DE LIMA
ESTABILIZACIÓN DEL CAUCE MEDIANTE
TRAVIESAS
• Las traviesas son estructuras construidas en el lecho, a lo ancho de un cauce (de orilla a orilla), de baja altura, incluso sin sobresalir que actúan como un punto fijo sobre el cual el perfil del cauce “báscula”.
• Función: fijar el cauce en una cota a lo largo de la sección que protegen.
• Aguas abajo se genera un foso de erosión por el paso del agua.
• Están sujetas a la abrasión por paso de material de fondo del cauce.
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Fuente: LNH (2013)
Adaptación en UPC Commons: http://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/3306/54985-5.pdf?sequence=5
SIMILITUDES A ESCALA
• Similitud geométrica
• Similitud cinemática
• Similitud dinámica
MAGNITUD SÍMBOLO VALOR NUMÉRICO
Longitud Lp/Lm = L1,0 40,00
Velocidad Vp/Vm = L0.5 6,33
Tiempo Tp/Tm = L0.5 6,33
Caudales Qp/Qm = L5/2 10 119,29
OBRAS DE CONTROL DE EROSIÓN EN EL
CRUCE LA LÍNEA 1 DEL METRO DE LIMA
EN EL RÍO RÍMAC
• El diseño de la protección de la cimentación del metro de Lima fue probado en modelo hidráulico en el Laboratorio Nacional de Hidráulica.
• La protección consistió en una serie de obras de control de erosión, entre ellas, traviesas para impedir la profundización del cauce, defensas ribereñas para impedir la erosión de la margen derecha y obras de mampostería de piedra alrededor de algunas cimentaciones de puentes.
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Traviesas
Defensa Ribereña
Pilar del metro
Traviesa
Eje de cruce
EFECTOS DEL NIÑO COSTERO A LO LARGO
DEL RÍO RÍMAC (VERANO AUSTRAL DE 2017)
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Caída del Puente Solidaridad Inundaciones en San Juan de Lurigancho
Depósitos de barro y lodo en San Juan de Lurigancho
Rebose de los muros de protección de la Vía de Evitamiento
ZONA DE CRUCE DE LA LÍNEA 1 DEL METRO DE LIMA
15
Fuente: http://ojo.pe/noticias/metro-de-lima/
Traviesa
Sin embargo, el gerente de Relaciones Institucionales del Metro de Lima, Rodrigo Fernández de Paredes, salió al frente para señalar que no existe ningún peligro de caída de las bases de la Línea 1 y por el contrario el transporte está garantizado.“Comentarle a la población, a los clientes y usuarios que la seguridad está garantizada, no hay ningún tipo de riesgo, ni de colapso, ni nada que dañe las instalaciones. En la parte constructiva, cuando recibimos la obra, nos hemos cerciorado que los estándares de calidad cuenten con lo que solicita la norma”, señaló.Rodrigo Fernández de Paredes reveló que los pilares del Metro de Lima fueron sometidos a pruebas hidráulicas simulando caudales muchos más altos de lo que en la práctica se podría dar.“Bajo esa premisa, no existe riesgo de colapso, ni debilitamiento para tranquilidad de los usuarios”, agregó.
16 de marzo de 2017
ALGUNAS OBSERVACIONES
• Durante la ejecución de las pruebas se generaron fosos de erosión asimétricos aguas abajo de las traviesas.
• Cuando se ejecutaron estas pruebas, para fines de diseño, se informó los patrones de erosión al Consorcio Metro de Lima
• No se contaba con un Velocímetro Acústico Doppler, solamente con un correntómetro electromagnético.
• Posteriormente, se desarrolló un programa experimental para modelar numéricamente el flujo en el tramo del río y estudiar los patrones de erosión aguas abajo de las traviesas.
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OBJETIVO E HIPÓTESIS
• El objetivo principal de este estudio fue estudiar el efecto que tiene el tramo curvo de un río en la formación de fosas de erosión aguas abajo de traviesas.
• La hipótesis de trabajo es que la curvatura genera un cambio en el patrón de erosión aguas debajo de traviesas.
• Existía evidencia empírica de la última afirmación en base a pruebas anteriores → patrón de erosión asimétrico.
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REVISIÓN DE LITERATURA
• Investigaciones previas realizadas por:
• Bormann y Julien (1991) predicción de erosión aguas abajo de traviesas.
• Lenzi (2003): recopila datos de 73 sitios en ríos donde se produce erosión aguas abajo de caídas de agua.
• Martín – Vide (2013): indica que la pendiente final del lecho entre traviesas es mucho menor que la pendiente de equilibrio cuando no hay traviesas
• Estuvieron orientadas a estudiar la máxima profundidad generada pero no se tomó en cuenta la curvatura del cauce en planta.
Bormann y Julien, 1991
Lenzi et al, 2003
ESQUEMA DEL MODELO
EXPERIMENTAL
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INFORMACIÓN GENERAL DEL
MODELO
• Pendiente media: 1.2 %
• Longitud aproximada: 23.25 m (Lprototipo = 930 m).
• En la primera etapa se probaron caudales entre 2.96 L/s y 57.7 L/s.
• En la segunda etapa se usaron caudales de 57. 7 L/s y 75 L/s.
• Se incorporó sedimentos de acuerdo a una tabla proporcionada por el consultor que desarrolló el proyecto para el cliente. Rango: 0 – 14 Kg/min.
• El levantamiento topográfico del lecho se ejecutó con un escáner 3 D, de acuerdo a nuestras indicaciones.
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VISTA PANORÁMICA DE MODELO
FÍSICO. ESCALA 1/40
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EQUIPAMIENTO DEL LNH
• Cisterna subterránea de 80 m3
• 4 bombas con capacidad combinada de 700 L/s. (Bomba 1: Q =200 L/s; H = 9 m – Bomba 2: 200 L/s; 9 m; Bomba 3: 200 L/s; 10 m – Bomba 4: 100 L/s; 10 m).
• El agua se bombea a un tanque elevado ( 5 m sobre el suelo), de 5 m3 de capacidad.
• El agua es llevada al área de pruebas con una tubería de 356 mm (14”).
• En una primera etapa se empleó un correntómetro electromagnético para medir las velocidades.
• En la segunda etapa se usó un perfilador – ADV Nortek Vectrino para determinar el patrón de flujos en 3D.
• El caudal se midió mediante un vertedero triangular de 90º equipado con limnímetrosNeyrpic.
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DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DEL
MATERIAL DEL LECHO A ESCALA
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GRAVAGRUESO FINO
ARENAGRUESO MEDIO FINOBOTONERÍA FINOS
152.4
6"
101.6
76.2
0
3"
50.8
0
2"
38.1
0
25.4
0
1"
19.0
5
12.7
0
1/2"
9.5
25
4.7
50
N° 4
2.3
80
N° 10
1.9
99
1.1
91
N° 20
0.8
41
0.5
94
N° 40
0.4
19
0.2
97
N° 50
0.1
78
0.1
50
N° 100
0.0
74
N° 200
203.2
254.0
10"381.0
508.0
20"
6.3
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
PO
RC
EN
TA
JE
QU
E P
AS
A
Tamaño del grano en mm ( Escala semilogarítmica )
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
Los valores de d50, d16, d84 y d90, son 1.34, 0.21, 3.73 y 4.33 mm, respectivamente
FLUJOS SECUNDARIOS EN TRAMO EN
CURVA CON FONDO EROSIONABLE (DHI,
1995)
24
Fuente: Danish Hydraulic Institute (1995) Coastal Hydraulics and Oceanography,
Hydrodynamic Module. Release 2.5, Users Guide and Reference Manual
INYECCIÓN DE TRAZADOR DESDE MÁRGENES DERECHA E
IZQUIERDA
25
Desde margen derecha
Desde margen izquierda
DIVISIÓN DEL FLUJO SECUNDARIO EN
VARIOS VÓRTICES
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DETALLE - DIVISIÓN DEL FLUJO
SECUNDARIO EN VARIOS VÓRTICES
EN LA TRAVIESA 3
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CUADRO DE DATOS – SEGUNDA FASE
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Caudal Sección Y0 (m) U0 (m) q (m2/s) K Ds (calculado) (m) Ds (medido) (m)
57.7 l/s
TRAVIESA 1 0.070 0.714 0.050 1.925 0.077 0.120
TRAVIESA 2 0.066 0.681 0.045 1.519 0.047 0.035
TRAVIESA 3 0.066 0.481 0.032 1.978 0.035 0.080
TRAVIESA 4 0.066 0.454 0.030 1.932 0.028 0.040
TRAVIESA 5 0.050 0.466 0.023 1.510 0.021 0.065
TRAVIESA 6 0.060 0.640 0.038 1.904 0.044 0.044
TRAVIESA 7 0.055 0.449 0.025 1.846 0.024 0.070
TRAVIESA 8 0.050 0.497 0.025 1.776 0.025 0.040
TRAVIESA 9 0.050 0.560 0.028 1.963 0.045 0.025
75 l/s
TRAVIESA 1 0.074 0.583 0.043 1.984 0.085 0.120
TRAVIESA 2 0.086 0.589 0.051 1.932 0.068 0.049
TRAVIESA 3 0.072 0.473 0.034 1.856 0.052 0.088
TRAVIESA 4 0.065 0.398 0.026 1.944 0.034 0.048
TRAVIESA 5 0.052 0.364 0.019 1.704 0.028 0.107
TRAVIESA 6 0.065 0.528 0.034 1.530 0.040 0.050
TRAVIESA 7 0.063 0.547 0.034 1.828 0.050 0.060
TRAVIESA 8 0.063 0.483 0.030 2.007 0.037 0.020
TRAVIESA 9 0.066 0.506 0.033 1.973 0.052 0.030
VALORES OBSERVADOS DE
SOCAVACIÓN MÁXIMA VERSUS
VALORES CALCULADOS
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VELOCIDADES MEDIAS Y PATRONES DE EROSIÓN
ASIMÉTRICOS
30
• Se empleó el modelo numérico Open TELEMAC 3D, el cual resuelve las ecuaciones de movimiento con el método de elementos finitos en flujos en superficie libre.
• Se emplean mallas no estructuradas, que permiten emplear celdas de diferente tamaño para permitir darle mayor detalle a tramos de interés.
• Fue desarrollado por Laboratoire National d'Hydraulique(Francia).
• Es necesario indicar que a la malla del modelo numérico FINAL se le agregó las fosas de erosión para que puedan representar de manera más cercana a la realidad los patrones de flujo en el curso de agua representado.
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MODELO NUMÉRICO
CLUSTERS DE ALTO RENDIMIENTO
La HPC se ha
convertido en una
poderosa herramienta
de investigación para
el estudio de
problemas de
ingeniería más
desafiantes.
La HPC tiene el
potencial para
complementar/sustituir
los experimentos, mas
aun cuando los
fenómenos físicos son
demasiados complejos,
caros, y peligrosos de
medir. Modificado a partir de Rodi, 2017.
CONVENIO CON INNOVATE PERÚ
Existía la necesidad de contar con un clúster de alto rendimiento que permitiera simular el transporte de agua y sedimentos para estudiar los cambios morfológicos en los cauces.
Implementar los cambios en 2D Y 3D requiere alta capacidad de cómputo. El Laboratorio Nacional De Hidráulica de la UNI (LNH-UNI) se presentó al concurso de INNOVATE para equipamiento científico y ganó.
CONVENIO CON INNOVATE
En el año 2016 se firmó el convenio Nº 257 -INNOVATEPERU-EC-2016 entre la UNI e INNOVATE PERU para la adquisición de un clúster de alto rendimiento.
La UNI, como contrapartida debería contribuir con la adecuación del ambiente, colaborar con otra universidad (que fue la Universidad Nacional del Santa) y aportar horas-persona a la implementación del clúster y ejecutar proyectos de investigación.
ADECUACIÓN DEL DATA
CENTER
La UNI adecuó parte del ambiente destinado a modelos matemáticos para alojar el clúster de alto rendimiento (HPC, siglas en inglés).
Requirió adecuar el sistema eléctrico, instalar piso técnico, dar seguridad, etc.
El Nodo Cómputo:
32 CPU con Dos (02) procesadores
Intel Xeon con 8 cores c/u de 2.1
Ghz de frecuencia.
- Memoria RAM: 64GB (4 x
16GB) 2133MT/s.
- Conexión Infiniband: 56Gb/s
InfiniBand o 40 Gigabit Ethernet
por puerto.
- Controlador Gigabit Ethernet:
El Nodo Principal:
Dos (02) procesadores Intel
Xeon con 8 cores c/u de 2.7
Ghz de frecuencia.
- Memoria RAM: 128GB (8
x 16GB) 2133MT/s
- Almacenamiento: 8 de 32
discos instalados de 4TB
6Gb/s 7.2K RPM.
- Conexión Infiniband.
- Controlador 10 Gigabit
Ethernet
PROGRAMAS INSTALADOS EN EL HPC TIPÓN
SISTEMA OPERATIVO: SISTEMA OPERATIVO LINUX CENTOS 7.4, Y LOS PROGRAMAS:- PBSPRO- GANGLIA- SSH- GCC_5_1_0- INTEL MKL- INTEL MPI- OPENFOAM 2.3.0- OPENFOAM 2.4.0- OPENFOAM IN-BOX-18.02- OPENTELEMAC V7P2R1- OPENTELEMAC V7P2R2- OPENTELEMAC V7P3R0
Detalles Computacionales
CasoNro de
procesadoresMalla
Tiempo de simulación
Observación
Test 01: Malla gruesa 16 0.05x0.05x0.012 20 minutos
Para una malla de 5 cm no se observaban los cambios en velocidadesy el modelo no llegaba a converger, se mantenia en un estado estacionario.
Test 02: Malla fina 16 0.025x0.025x0.012 1 hora 3 minutos
Al disminuir el tamaño de malla se mejoro la convergencia del modelo pero no se llego a visualizar la distribución en
la vertical.
Test 02: Malla fina con mayor inteporlacion en
la vertical16 0.020x0.020x0.003 3 horas 50 minutos
Al interpolar mas en la vertical se observo la distribución de velocidades
en el modelo tridimensional, pudiéndose obtener una mejor calibración del
modelo.
Para la fase de procesamiento numérico se realizaron varias pruebas, las cuales se detallan a continuación.
Malla o condiciones de borde
Sección transversal en el modelo numérico
ResultadosGeneración del mallado de fricción: número de Manning para tres zonas diferentes.
Magnitud de velocidades bidimensionales y tridimensionales en entorno OpenTelemac-
Mascaret.
Q=0.075 m3/s
Tamaño de malla: 0.02 x 0.02x 0.003Modelo de Turbulencia:Mixing LengthCoeficiente de Manning:Lecho: 0.025Enrocado: 0.030Zonas de concreto: 0.013
ResultadosPara la calibracion del modelo numérico se consider las secciones que poseen un tirante mayor a 5 cm. Ya que la dificultad del modelo se debe a su bajo tirante y a la influencia del coeficiente de manning. Se muestran algunascomparaciones de velocidades obtenidas en campo y con el modelo numérico en la sección de ingreso.Es necesario recalcar que para la calibración final se incluyó las fosas de erosion.
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
h (
m)
Velocidad (m/s)
PERFIL DE VELOCIDADES P1
Vx Polinómica (Vx (MN3D))
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
-0.3 0.2 0.7 1.2
h (
m)
Velocidad (m/s)
PERFIL DE VELOCIDADES P5
Vx Polinómica (Vx (MN3D))
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
h (
m)
Velocidad (m/s)
PERFIL DE VELOCIDADES P3
Vx Polinómica (Vx (MN3D))
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
h (
m)
Velocidad (m/s)
PERFIL DE VELOCIDADES P4
Vx Polinómica (Vx (MN3D))
AVANCES DE SIMULACIÓN EN
TELEMAC 3D
Avances de simulación en
TELEMAC 3D
CONCLUSIONES
• Los resultados de esta investigación experimental sugieren que, en tramos curvos de ríos aluviales de fuerte pendiente, y que han sido protegidos con traviesas, se generan erosiones locales más profundas que en tramos rectos.
• Se verificó que, aguas abajo de traviesas se generan varios vórtices en vez de uno, lo que contribuiría a generar un patrón asimétrico de erosión.
• Para propósitos de comparación, se empleó la ecuación de Bormann y Julien (1991) y se verificó que las erosiones observadas en esta investigación eran subestimadas en tramos curvos.
• Un factor de 4 en la ecuación de Bormann y Julien (1991) genera una envolvente que podría usarse para fines de diseño. Los efectos de diferentes grados de curvatura en las dimensiones de la fosa de erosión deben ser estudiados en investigaciones posteriores.
• Cabe mencionar que en este modelo se cuenta con protección de enrocados en los márgenes izquierda y derecha lo cual controla la erosión en los márgenes del cauce en algunos tramos.
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CONCLUSIONES
• El tiempo de procesamiento de información depende del tamaño de malla, el modelode turbulencia y el número de capas en la vertical; se realizo pruebas con diferentesmodelos de turbulencia que trabaja el Open TELEMAC, como son Constant Viscosity,Longitud de Mezcla y K-e, siendo el de mayor tiempo de convergencia el de k-e(tiempo de simulación entre 12 a 13 horas); sin embargo, con el modelo de longitud demezcla se obtuvieron resultados mas cercanos a los resultados obtenidos del modelofísico.
• Inicialmente el procesamiento con Open TELEMAC se realizó en una laptop personal(trabajando inicialmente un modelo bidimensional), al empezar a trabajar con elmodelo 3D el tiempo de simulación incrementó aceleradamente por lo que fuenecesario trabajar con un clúster de mínimo de 5 a 8 núcleos con 16 procesadorescada uno, para obtener mejores resultados.
• Al disminuir el tamaño de malla y aumentar la interpolación en la vertical se observómejor el comportamiento tridimensional de las velocidades.
RECOMENDACIONES
• Se recomienda, asimismo, estudiar con mayor detalle los patrones de velocidades en los flujos secundarios, particularmente aguas abajo de las traviesas.
• Es necesario desarrollar un predictor de las formas y dimensiones finales de las fosas de erosión para poder tener un modelo acoplado que pueda predecir la distribución final del flujo.
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AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS
• La fase experimental del estudio se ejecutó en el modelo físico que se construyó para el Estudio Mediante un Modelo Físico de las Obras Complementarias que se Ejecutarán en el Río Rímac, encargado por el Consorcio Tren Eléctrico al LNH.
• La investigación de la Srta. Mishel Reyes fue auspiciada por el Proyecto de Investigación Formativa FIC-F-9-2016, del Instituto General de Investigación (IGI), que depende del Vicerrectorado de Investigación de la Universidad Nacional de Ingeniería.
• Una versión más corta y preliminar de esta investigación fue presentada, previa selección por el Comité Científico en el XXVIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica, organizado por IAHR, en Buenos Aires, en Setiembre del 2018.
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GRACIAS POR SU
ATENCION!
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PREGUNTAS?
INFORMACION DE CONTACTO:Julio M. Kuroiwa: [email protected]
Teléfono: (51) (1) 481-1920 (Laboratorio Nacional de Hidráulica - UNI)