Modelo Empírico de Disipación de Energía para Vertederos Escalonados de Tres Secciones con Pendiente Variable Validado a Través de Análisis Dimensional y Simulación CFD
Autores: Yataco-Pastor, Luis Antonio; Ybaceta-Valdivia, Ana Cristina; Castillo Alvarez, Yoisdel; Jiménez Borges, Reinier; Iturralde Carrera, Luis Angel; García-Martínez, José R.; Rodríguez-Reséndiz, Juvenal
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2026
Acceso abierto
Artículo científico
2026
Modelo Empírico de Disipación de Energía para Vertederos Escalonados de Tres Secciones con Pendiente Variable Validado a Través de Análisis Dimensional y Simulación CFD
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Disipación de energía
Vertederos escalonados
Geometría
Régimen de flujo
Aireación superficial
Modelo empírico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La disipación de energía en vertederos escalonados depende de la compleja interacción entre la geometría, el régimen de flujo y la aireación de la superficie. La investigación propone un modelo empírico adimensional (RE3T) para predecir la disipación total de energía en vertederos escalonados de tres secciones con pendientes variables. La formulación integra un análisis dimensional basado en el teorema de Vaschy-Buckingham, experimentación física controlada y simulaciones numéricas tridimensionales utilizando CFD con el modelo de turbulencia RANS-SST implementado en ANSYS CFX. Se realizaron dieciocho simulaciones numéricas cubriendo siete configuraciones geométricas y cuatro condiciones de entrada hidráulica, abarcando regímenes de flujo de golpe, transicional y de deslizamiento. El modelo CFD fue validado previamente mediante comparación con un modelo a escala física, obteniendo una discrepancia de solo el 0.38% en la disipación de energía relativa. El conjunto de datos validado se utilizó luego para calibrar una correlación empírica multiplicativa compuesta por ocho grupos adimensionales asociados con las pendientes seccionales, el número de escalones, la relación geométrica total y el número de Froude aguas arriba. El modelo propuesto logró un coeficiente de determinación R2 = 0.81, con errores relativos generalmente inferiores al 1% y una desviación máxima del 2.34%. Los indicadores estadísticos (RMSE, MAE y sesgo) confirman la ausencia de tendencias sistemáticas significativas dentro del dominio de validez definido. Los resultados muestran que el número de Froude y las pendientes de las secciones son las variables con mayor influencia en la disipación total. La formulación RE3T es una herramienta predictiva físicamente consistente y computacionalmente eficiente para el diseño y análisis de vertederos escalonados con pendientes variables, ampliando el alcance de las correlaciones tradicionales desarrolladas para pendientes uniformes.
Descripción
La disipación de energía en vertederos escalonados depende de la compleja interacción entre la geometría, el régimen de flujo y la aireación de la superficie. La investigación propone un modelo empírico adimensional (RE3T) para predecir la disipación total de energía en vertederos escalonados de tres secciones con pendientes variables. La formulación integra un análisis dimensional basado en el teorema de Vaschy-Buckingham, experimentación física controlada y simulaciones numéricas tridimensionales utilizando CFD con el modelo de turbulencia RANS-SST implementado en ANSYS CFX. Se realizaron dieciocho simulaciones numéricas cubriendo siete configuraciones geométricas y cuatro condiciones de entrada hidráulica, abarcando regímenes de flujo de golpe, transicional y de deslizamiento. El modelo CFD fue validado previamente mediante comparación con un modelo a escala física, obteniendo una discrepancia de solo el 0.38% en la disipación de energía relativa. El conjunto de datos validado se utilizó luego para calibrar una correlación empírica multiplicativa compuesta por ocho grupos adimensionales asociados con las pendientes seccionales, el número de escalones, la relación geométrica total y el número de Froude aguas arriba. El modelo propuesto logró un coeficiente de determinación R2 = 0.81, con errores relativos generalmente inferiores al 1% y una desviación máxima del 2.34%. Los indicadores estadísticos (RMSE, MAE y sesgo) confirman la ausencia de tendencias sistemáticas significativas dentro del dominio de validez definido. Los resultados muestran que el número de Froude y las pendientes de las secciones son las variables con mayor influencia en la disipación total. La formulación RE3T es una herramienta predictiva físicamente consistente y computacionalmente eficiente para el diseño y análisis de vertederos escalonados con pendientes variables, ampliando el alcance de las correlaciones tradicionales desarrolladas para pendientes uniformes.