Se utilizan para representar conductos y acueductos en redes.
Consulte los temas Información de cálculo de tuberías y Tuberías cerradas para obtener información relevante para todos los tipos de tuberías.
Los canales abiertos se modelan como un vínculo con depósitos adjuntos en cada extremo. Esto es necesario para garantizar que no haya huecos entre las secciones presurizadas y no presurizadas de una red.
Los propios canales abiertos pueden modelarse utilizando ecuaciones de St. Venant dependientes del tiempo o dividiendo el vínculo en cinco secciones, y tratando cada sección como su propio depósito.
El método que se utiliza en una simulación está determinado por el parámetro de la opción Usar ecuaciones dependientes del tiempo (canales abiertos) de la página Valores predeterminados de simulación.
Si esta opción se establece en "No", el vínculo se divide en cinco secciones y cada sección se trata como su propio depósito de la siguiente manera:
- Entre el depósito superior y la primera sección del canal abierto, el caudal se introduce a través de un orificio. Se pueden definir las propiedades del orificio y, como resultado, se calcula el caudal a través del orificio.
- Entre cada sección dentro del canal abierto, se aplica la ecuación de Manning para calcular el caudal. Para cada paso temporal, la ecuación de Manning se aplica a cada una de las cinco secciones dentro del canal abierto y, como resultado, se calcula el caudal entre las secciones.
- Entre la sección inferior del canal abierto y el depósito inferior, se aplica la ecuación de Manning al caudal en el depósito, o se calcula el caudal sobre un vertedero de coronación ancha. Si se define un vertedero en el extremo aguas abajo del canal abierto, se utilizará el vertedero de coronación ancha para calcular el caudal que sale del canal abierto. Si no se define ningún vertedero en el extremo aguas abajo del canal abierto, se utilizará la ecuación de Manning para calcular el caudal que sale del canal abierto.
Si la opción Utilizar ecuaciones dependientes del tiempo (canales abiertos) está establecida en "Sí", los canales abiertos se modelan utilizando ecuaciones de St. Venant dependientes del tiempo. Solo se puede asignar un valor de rugosidad hidráulica que utilice expresiones de Colebrook-White o Manning para el transporte. Las ecuaciones que rigen son un par de ecuaciones de conservación de masa y momento:
donde:
Q: descarga o caudal (m3/s)
A: área de sección transversal (m2)
g = aceleración debida a la gravedad (m/s2)
h – profundidad de la superficie del agua (m)
So: pendiente del lecho
K – Transporte
Cada canal abierto se divide en puntos de cálculo discretos espaciados regularmente a un intervalo de 20 veces el diámetro del canal. A continuación, las ecuaciones de St Venant se resuelven directamente mediante un esquema de Preissman y una formulación de diferencias finitas. Las ecuaciones se discretizan en el plano definido por la longitud y la profundidad del canal para la profundidad y el caudal de la superficie del agua, y se completan con las condiciones de contorno en las uniones con los depósitos aguas arriba y aguas abajo. El caudal de entrada en el canal abierto se realiza a través de un orificio y el caudal de salida en la parte inferior es el de un vertedero de coronación ancha o, si no se define ningún vertedero, el correspondiente al caudal crítico, calculado a partir del área mojada aguas abajo y la anchura del caudal en la superficie del agua. Los canales abiertos de InfoWorks WS Pro pueden verterse si el nivel del agua está por encima de la altura del canal en cualquier punto del canal.
Solucionador
La discretización de las ecuaciones que controlan los canales da como resultado un gran sistema de ecuaciones de diferencias finitas no lineales algebraicas que se resuelven simultáneamente en cada nivel de tiempo utilizando el método iterativo de Newton-Raphson.
Los efectos no lineales como pueden hacer que el paso temporal se ajuste automáticamente en mitades progresivas hasta que se alcance la convergencia del método Newton-Raphson. Por el contrario, una convergencia rápida puede hacer que el paso temporal se duplique. El paso temporal inicial se establece en 1 segundo y las ecuaciones se resuelven desde un paso temporal hidráulico principal de InfoWorks WS Pro al siguiente, durante el cual los niveles del depósito final se mantienen constantes. También se lleva a cabo un control de los caudales de entrada del depósito aguas arriba para asegurarse de que no puede suministrar más agua de la que contiene. En este caso, el caudal de entrada se reduce a cero para el resto de los pasos temporales secundarios dependientes del tiempo.
Se recurre a una comprobación de convergencia relativa, de modo que el cambio en profundidades de canal y caudales en el nuevo nivel de tiempo sea inferior a un 1 %.
Caudal de entrada del canal
En el extremo aguas arriba del canal abierto, se excluye el reflujo. Con un orificio sumergido completo, la ecuación de modelo de control en condiciones de descarga libre es esta:
donde:
Dcl - altura del nivel de agua por encima del centroide del orificio (m)
Esto se modifica en condiciones de sumersión, si el nivel del agua aguas abajo sumerge el orificio, de la siguiente manera:
donde, para ambas ecuaciones:
Q - descarga (m3/s)
Cd – Coeficiente de descarga de orificio = 0.884
Ao: área de sección transversal del orificio (m2)
g = aceleración debida a la gravedad (m/s2)
y para el segundo:
Du - profundidad aguas arriba por encima de la rasante del orificio (m)
Dd - profundidad aguas abajo por encima de la rasante del orificio (m)
Si el orificio está parcialmente lleno aguas arriba, las características del caudal se determinan mediante un modelo de vertedero:
donde:
Cd – coeficiente de descarga de vertedero = 0.575
B – anchura eficaz del vertedero (m) = Ao / (diámetro del orificio)
Du - profundidad aguas arriba por encima de la rasante del orificio (m)
Para un vertedero sumergido, la ecuación es la misma, excepto que el término Du se reemplaza por Du √(Du - Dd)
Caudal de salida del canal
En el extremo aguas abajo del canal abierto, los niveles relativos impuestos en el canal y el depósito se diseñan para garantizar que no se produzca ningún reflujo. En el caso de un vertedero, la descarga del vertedero de coronación ancha es:
donde:
Q - descarga (m3/s)
Cd – coeficiente de descarga de vertedero. Se calcula usando la fórmula siguiente.
Cv – es un coeficiente sin dimensiones que permite el efecto de la velocidad de aproximación
B – anchura de coronación del vertedero
g – aceleración debida a la gravedad
Du – profundidad aguas arriba con respecto a la coronación
Cd se calcula utilizando la ecuación:
donde:
L es la longitud de la sección horizontal de la coronación en la dirección del caudal
Cv se calcula entonces en términos de Cd usando:
donde:
A es el área de sección transversal del canal de aproximación por debajo del nivel de agua
Si no hay vertedero, el caudal crítico se calcula a partir de
donde:
A – área húmeda del canal
T – anchura superior del caudal del canal
Se puede establecer un control para el canal abierto donde se puede definir el nivel inicial del canal, como se puede hacer con los depósitos.
Durante una simulación, cualquier desbordamiento que se produzca a lo largo del canal abierto se registra como vertido, como se muestra en los depósitos.
El perfil del canal abierto, la elevación del orificio y los niveles de entrada del canal abierto a sus depósitos conectados se pueden establecer en la hoja de propiedades del canal abierto.