Modelos hidráulicos: CONCEPTOS Y PRÁCTICA

HIELO

Medida en la mayoría de los procesos de transporte y acumulación de hielo. El comportamiento de la resistencia de hielo, sin embargo, si la capa de hielo se rompe debido a los cambios bruscos del caudal del río está siendo modelado.

5.5.1 Lámina Irrompible

Láminas irrompibles se utilizan para simular los límites de hielo sólido, tales como una capa de hielo flotante o grandes masas de hielo. Las preocupaciones primarias de similitud dinámicas son la flotabilidad y la resistencia a la fricción. A menudo, siempre que el modelo de láminas flotantes, se replica estrictamente la flotabilidad del hielo se relaja al modelar el flujo en un canal cubierto de hielo. A veces, la actuación del humedecimiento del material es importante. Las láminas se pueden formar a partir de plástico, madera, o espuma de poli estireno, o pueden ser de construcción compuesta (por ejemplo, una caja flotante de balasto). Estos deben flotar en la superficie del agua y se moverse de acuerdo con el criterio del número de Froude (para la replicación de las fuerzas inercial y gravitacional). Algunas láminas, tales como poliestireno delgado o plástico, pueden ser flexible. Para replicar la resistencia al flujo, los materiales adicionales pueden tener que ser unido a la parte inferior de la lámina.

5.5.2 Piezas de hielo Irrompible

La modelación de piezas de hielos se divide en dos categorías: El movimiento individual de las piezas de hielo y el comportamiento de la acumulación de agregación y la fuerza de las piezas de hielo. Ejemplos de la primera categoría, que es, con mucho, el más simple de los dos, son masas de hielo a la deriva, los campos del casquete polar y el transporte de flóculos frazil (hielo suave o amorfo formada por la acumulación de cristales de hielo en el agua). Ejemplos de acumulaciones de piezas de hielo son: los atascos de hielo, campos de escombros de hielo, y cordilleras de hielo. Los requisitos primarios similitud dinámicas son flotabilidad y rugosidad de la superficie. El requisito para la réplica exacta de la flotabilidad puede estar relajado, siempre y cuando el modelo de hielo al menos flote. La similitud de flotabilidad es más importante para los pedazos de hielo que para las capas de hielo, porque las piezas de hielo colisionan y la interacción son procesos importantes. La tensión superficial y la superficie de humectación también son más importantes para el modelo de las piezas de hielo. Hielo generalmente puede ser utilizado para modelar el hielo proporcionan tanto las piezas de hielo completo y modelo de escala son suficientemente grande para que su comportamiento está dominado por la gravedad y de fuerzas de inercia, no por la unión entre partículas.

Las piezas de hielo para el modelo pueden ser cortados de láminas de madera, polipropileno o plástico de polietileno, u otro material flotante. Hojas de plástico están comúnmente disponible en espesores de 1 mm a 30 mm aproximadamente y se puede fácilmente cortar con una sierra de cinta. Algunas formas y tamaños de piezas de

polietileno comunes (plástico) para el modelo de hielo se ilustran en la Figura 5-2. Las piezas que se muestran son cuadrados cortadas de láminas de plástico, gránulos de plástico utilizadas para el moldeo, y plástico molido por el reciclaje.

Piezas de hielo irrompibles de tamaño uniforme pueden formar acumulaciones, tales como barreras de hielo, que son desproporcionadamente delgada y demasiado fuerte en comparación

FIGURA 5-2. Algunas formas comunes de piezas de plástico utilizadas como modelo de hielo.

con las acumulaciones que están destinados a replicar. La uniformidad del tamaño puede permitir piezas para empacar y enclavamiento de una forma que puede no ocurrir en escala completa. El modelo de bloques y en placas de hielo es propensas a apilarse como tarjetas. Tal apilamiento es raro en la naturaleza. La gradación del tamaño de las piezas de hielo es importante. Esto influye en la resistencia interna y la fricción de contacto con los límites sólidos. También hay que considerar el hecho de que las piezas de hielo con grandes proporciones de anchura y espesor pueden romperse a escala completa.

Las propiedades de resistencia del modelo de hielos formadas a partir de hielo de agua dulce relegan su uso a los modelos de procesos físicos o modelos de resistencia a grandes escalas (donde la escala se refiere aquí a modelar longitud / longitud prototipo).

La fuerza de una pieza de hielo se puede reducir de un revenido (calentamiento de las láminas antes de la prueba), como se describe en la Sección 5.5.3. Zufelt et al. (1993) utilizado bloques de polietileno y hielo de agua dulce fracturada para investigar el paso de hielo a través de una puerta de ascensor sumergible. La forma aleatoria, la ausencia

de la tensión superficial y la interconexión de las partículas de piezas de hielo de agua dulce fracturadas proporcionando resultados más realistas en la formación del arco de hielo. Urroz y Ettema (1987) utiliza ambos bloques de polietileno y de hielo de agua dulce para investigar las características de resistencia al cizallamiento de escombros de hielo flotante, y observar las diferencias en el comportamiento de los escombros. Ellos atribuyen la diferencia entre los dos materiales a la unión entre la congelación de bloques de hielo de agua dulce. En muchas circunstancias, pequeños trozos de hielo, del orden de 10 mm o menos de diámetro, no puede comportarse como grandes pedazos de hielo; un copo de nieve no es un témpano de hielo, aunque ambos son trozos de hielo.

De importancia primordial para el modelado de acumulaciones de piezas de hielo es la semejanza dinámica de la flotabilidad de las piezas de hielo, la fricción, y el ángulo interior de resistencia de la acumulación de las piezas de hielo. El arrastre hidrodinámico de piezas de la parte inferior o el perímetro de una acumulación pueden ser importante para situaciones en las que se forman acumulaciones haciendo fluir agua. Para muchos modelos a pequeña escala, la acumulación pedazo de hielo puede ser replicado usando piezas pequeñas o perlas de polietileno o polipropileno plástico para satisfacer aproximadamente el requisito de similitud geométrica. El hielo es adecuado como modelo de hielo siempre que se comporta en la escala del modelo como lo hace en a gran escala; En otras palabras, siempre que la "pegajosidad" de las piezas de hielo sea lo mismo en ambas escalas. Trozos de hielo de los modelos se pueden cortar de láminas de plástico, estar disponible en forma de gránulos utilizados para el moldeo de plástico, o ser obtenidos como los fragmentos de plástico reciclado triturado. Los gránulos de polietileno o polipropileno funcionan bien para los modelos a pequeña escala que requieren una gran cantidad de modelo de hielo. Los gránulos son típicamente esféricas o de forma cilíndrica con una longitud de menos de 7 mm. En algunas circunstancias, la trituración controlada puede producir el tamaño y la gradación de las piezas necesarias para un modelo en particular. Las acumulaciones de gránulos o de plástico aplastado actúan como un continuo de partículas no cohesivo. Su comportamiento de fuerza se ajusta al criterio de rotura de Mohr-Coulomb para materiales granulares. Una ventaja adicional que se pueden obtener a partir de piezas de plástico triturado es su alta angularidad, lo que da acumulaciones de ellos un ángulo más grande de la resistencia interna de acumulaciones de perlas o gránulos. La iniciación del atasco de hielo o la formación de arco de hielo depende del ángulo de fricción interna y de las características de fricción entre partículas del material del modelo de hielo. Los materiales con un mayor ángulo de fricción interna forma arcos de hielo más fácilmente.

La similitud dinámica requiere que el peso específico del modelo de hielo y el ángulo de fricción interna de las acumulaciones modeladas sea aproximadamente los mismos que los de las acumulaciones de hielo naturales. El polietileno tiene un peso específico en el intervalo de 0,915 a 0,925, casi idéntica a la de hielo natural (0,92). La gravedad específica de polipropileno es ligeramente menor en 0,90 a 0,91. El ángulo de fricción interna del modelo de hielo puede variar ampliamente, dependiendo de la forma pieza, angulosidad, y distribución de tamaño. La mayoría de los materiales del modelo de

hielo tienen ángulos de fricción interna algo menor que el ángulo reportado para acumulaciones de hielo. Los materiales fracturados (debido a su forma altamente angular y la distribución del tamaño de ancho) tienen el mayor ángulo de fricción interna, próxima a la de hielo natural. En muchas situaciones, existe escasa información sobre las características de fricción de hielo y del hielo del modelo en contacto con diversas superficies.

A diferencia de hielo, los plásticos son no humectante. Su comportamiento como modelo de hielo puede ser más influenciada por la tensión superficial que es el caso para el hielo real. Superficie tensión o no humectante, es motivo de preocupación, especialmente para piezas delgadas que tienen francobordo insignificante. Puede ser un factor de desviación de los resultados sobre la sumersión de las piezas de hielo y estudios de una deformación. Existen métodos para reducir la preocupación por no humectante. Ellos incluyen la adición de un agente humectante, tal como detergente sin formación de espuma, al agua del modelo; rugosa la superficie de las piezas; o permitiendo una película de bacterias para que crezca en los trozos de hielo. Los dos últimos métodos reducen el tamaño del menisco formado por el agua contra una superficie no humectante.

Es común consolidar para las piezas de hielo en la naturaleza, mediante la congelación de unión o de congelación del agua de poro entre trozos de hielo. Refrigeración puede consolidar acumulaciones de trozos de hielo que se utilizan para modelar hielo, aunque la resistencia de la unión entre las piezas se puede reducir suficientemente en escala.

Una manera de simular, al menos aproximadamente, la consolidación de hielo usando otros materiales es mezclar o añadir un poco de líquido pegajoso que pega las piezas juntas.

Garbrecht et al. (1981), por ejemplo, utiliza bloques de polipropileno con una distribución de tamaños, formas y grosores para modelar un atasco en el río Elba, Alemania. Se consolidaron su modelo de hielo usando una cera de parafina líquida.

Es importante mantener la similitud de las fuerzas de fricción. Durante el atasco de hielo o carreras de hielo, por ejemplo, hay normalmente una zona de largo de la costa donde es bien congelado o con conexión a tierra en las orillas de hielo. Esto resulta en una zona de cizalla con resistencia a la fricción al movimiento a lo largo de los bancos dependientes en las características de fricción entre partículas del material de hielo. Los límites del modelo también pueden tener que ser lo suficientemente áspero, así que, como puede ocurrir por muchos ríos, en terrenos de materiales de hielo del modelo y sostiene a lo largo de los bancos y proporciona una zona de cierto esfuerzo cortante contra el hielo. El exceso de fuerzas de tensión superficial entre partículas puede resultar en una sobre reducción de la velocidad de hielo.

Zufelt et al. (1994) utilizaron un burbujeo de aire a lo largo de una porción de un modelo de frontera hidráulica para contrarrestar las fuerzas de tensión superficial y aumentar las velocidades de hielo en el modelo durante la calibración del modelo.

5.5.3 Hielo Irrompible

En la simulación de hielo frágil, de importancia primordial es la similitud dinámica de la flotabilidad de hielo, la fricción, y el modo (s) de hielo-corte. El hielo real con el debilitamiento aditivo puede servir como un modelo de hielo frágil cuando se modela en un ambiente refrigerado. Alternativamente, varios materiales no acuosos puede servir de modelo de hielo frágil cuando se modela en un laboratorio sin refrigeración. En Práctica El Modelado favorece el uso de hielo real con aditivos de debilitamiento y requiere el uso de laboratorios refrigerados y tanques de remolque de hielo. Mucha investigación y el desarrollo se han invertido en el desarrollo de materiales de modo que se puedan romper el hielo. Un objetivo de ese trabajo es producir un modelo de hielo que lo hará facilitar el modelado a pequeña escala de grandes estructuras. Hasta la fecha, las limitaciones severas han requerido el uso de laboratorios grandes y muy costosos refrigerados para dar cabida a este tipo de modelos a escala.

En muchas situaciones de hielo de carga, la resistencia a la flexión de hielo, limita las cargas transmisibles a través de las capas de hielo. La resistencia al aplastamiento de hielo en la mayoría de las situaciones es más grande que su resistencia a la flexión. Por lo tanto, como se han desarrollado la mayoría de las estructuras y los vasos para romper el hielo en la flexión, la mayoría de los materiales modelo de hielo se han desarrollado para replicado principalmente el comportamiento resistencia a la flexión de hielo. Figura 5-3, por ejemplo, muestra un modelo (Lr = 45) de una plataforma de cable amarrado flotante con lados inclinados flexión en su defecto una lámina de urea de hielo cultiva en un tanque de hielo. Como se describe en breve, urea de hielo es un modelo de hielo acuoso común.

Los hielos más debilitados se cultivan térmicamente. Estructura cristalina, aditivos, y el calentamiento son los tres ingredientes principales para la preparación de un hielo debilitado para adaptarse a una situación de modelado en particular. Una habilidad considerable es necesario combinar los ingredientes y preparar el modelo de hielo. Los aditivos de debilitamiento están incluidos en la solución de la que el hielo se cultiva o se añaden (por ejemplo, rociado o espolvoreado) para el hielo a medida que crece. El debilitamiento por el calentamiento reduce la resistencia inicial de un modelo de hielo a un valor prescrito acorde con la escala del modelo. Se siguen los procedimientos especiales de iniciación para producir una capa de hielo cuya estructura cristalina es susceptible al debilitamiento. El Grupo de Trabajo IAHR sobre hielo Materiales de modelado (IAHR 1992) da una excelente historia de los avances en la preparación de hielo debilitado.

FIGURA 5-3. Fallo a la flexión en una lámina de modelo de hielo (hielo urea) que se mueve en contra de un modelo (LT = 45) plataforma de cable-amarrado de forma cónica.

Químicamente debilitado (o soluto debilitado) de hielo a menudo se denomina hielo dopado. Un producto químico, o dopante, se añade al agua antes de la congelación y la capa de hielo crece. A veces, varios productos químicos se añaden al agua, y los productos químicos se conocen colectivamente como el dopante. Un proceso de incubación por lo general se necesita para iniciar la capa de hielo de manera que forme la necesaria estructura cristalina. Mientras que la capa de hielo se espesa, el dopante es rechazado y atrapado en bolsas de "salmuera" entre los cristales de hielo, dando a la lámina una estructura similar a la del hielo marino. La presencia de estas bolsas de salmuera reduce la fuerza inicial del modelo de hielo en comparación con la del hielo de agua dulce. Las propiedades de resistencia puede reducirse aún más por el calentamiento de la lámina, que consiste en elevar la temperatura del aire encima de la lámina cerca del punto de la solución de la que creció la lámina y de ese modo templar la congelación de la capa de hielo. Durante el templado, los bolsos de salmuera se agrandan y debilitan el hielo. También durante el temple, que puede tardar horas, las el módulo de elasticidad de la lámina, E, disminuye más rápido que su fuerza de flexión, σf de manera que la relación E/σf también disminuye. La práctica común es para limitar la escala geométrica para el modelado de hielo en vacío con hielo dopado de conformidad con la fuerza de hielo mínima que se puede alcanzar al tiempo que

garantiza que hoy permanece por encima de aproximadamente 2.000. Este límite es el tema de debate entre los modeladores de hielo.

El hielo dopado fue desarrollado originalmente para el modelado de las fuerzas de hielo en las estructuras y los buques rompehielos. El primer modelo de hielo dopado se cultivó de una solución salina al 2%. Para escalas de longitud viables de 25 a 40, la solución salina hielo dio E/σf proporciones muy inferiores a 1000, por debajo del mínimo aceptable valor de alrededor de 2,000 para el hielo marino. Schwartz (1977) hizo hincapié en la importancia de mantener una alta relación y utilizó una concentración más baja Solución salina (0,6%) para crecer hielo modelo. Sin embargo, incluso con el calentamiento, la mínima fortaleza alcanzable de hielo a la flexión fue del orden de 60 kPa, significativamente mayor que la requerida para una escala geométrica de Lr <25.

Por lo tanto, los resultados de las pruebas de modelos, tuvo que ser corregida o extrapolar a la fortaleza de hielo adecuada, que añadió otra posibilidad de error y la incertidumbre en las predicciones de las pruebas finales.

Timco (1980) reportó la producción de las capas de hielo de 40 mm de espesor, que se cultiva a partir de una Solución de urea 1,3%, con una E/σf proporción de 2,400 para resistencias a la flexión tan bajas como 20 kPa. Sin embargo, Hirayama (1983) informó que, por 20 a 25 mm de espesor hielo, la relación E/σ f podría ser del orden de 1000 o menos. El hielo urea dopado era muy similar en estructura a la solución salina de hielo, debido al procedimiento de crecimiento (Gow 1984). Para ambos tipos de hielo, la superficie del agua se siembra con una fina niebla que resulta en un patrón cristalino fino en la superficie. La capa de hielo crece térmicamente con cristales verticales, y luego las columnas se extienden hacia abajo dentro del agua. El hielo resultante podría ser considerado de dos capas; la fuerte capa superior a través de una capa inferior más débil. Esta variación en la estructura sobre los resultados de espesor de hielo en una no homogeneidad de las propiedades mecánicas de hielo. El espesor de la capa superior puede ser minimizado mediante siembra y el crecimiento de la capa de hielo a la temperatura más baja alcanzable. Figura 5-4 muestra una capa de hielo de la urea de última hora contra un modelo de calzada.

Mientras el hielo de solución salina dopado no aparece haber sido utilizado para el modelado hidráulico, urea dopado hielo ha sido utilizado con éxito en muchos estudios de modelos hidráulicos. Deck (1985) utiliza la urea hielo dopada para reducir la fuerza de una capa de hielo de un estudio de una estructura de control de modelo hielo ruptura. Él estaba capaz de escalar adecuadamente la fortaleza de hielo a pesar de que consideró necesario introducir una relación de distorsión vertical de 4 a fin de proporcionar una adecuada profundidad modelo y espesores modelo de hielo razonable.

EG/ AD / S (o EGADS) el hielo es un material modelo de hielo que se desarrolló en el Laboratorio de Hidráulica del Consejo Nacional de Investigación de Canadá con el objetivo de producir un modelo de hielo que sería de una sola capa y columna en la estructura, es decir, el modelo de hielo no incluiría una capa de congelación. Timco

(1986) revisa los requisitos para el nuevo material de hielo y describe cómo fue la combinación EGADS de dopantes químicos seleccionado. Los tres dopantes son etilenglicol, detergente alifático, y azúcar (de ahí el nombre EGADS). Este hielo debilitado está muy cerca de urea dopada de hielo en los valores de resistencia a la flexión y la relación E/σf que produce, pero según los informes, tiene un rendimiento más realista tenacidad a la fractura, y por lo tanto la replicación, porque es casi una sola capa.

Un problema con hielos dopados es su desproporcionada contenido de salmuera para condiciones de baja resistencia. Los criterios de semejanza de flotabilidad pueden

FIGURA 5-4. Una lámina de urea hielo impulsado contra una calzada escala del modelo 30:1 (Lr = 30). El modelo se utilizó para investigar el trayecto del hielo a lo largo e terraplenes y rip rap de la calzada.