Qué régimen de cálculo elijo en HEC-Ras?

La última decisión a realizar antes de darle al botón “Compute” en una simulación con HEC-Ras es la de definir el régimen de cálculo que debe usar el programa… ¿subcrítico, supercrítico o mixto? Vamos a ver cuál régimen de cálculo escoger. 

Régimen de cálculo

Régimen de cálculo y su influencia

El flujo de un fluido en lámina libre puede presentar tres regímenes: subcrítico (o régimen lento), supercrítico (o régimen rápido) y crítico.

Normalmente, en la naturaleza nos encontraremos con el primer o segundo tipo de régimen. El régimen crítico se da en ocasiones puntuales, cuando se produce un cambio de régimen o cuando se fuerza su desarrollo para controlar algún parámetro (normalmente el caudal con su relación con el calado mediante una sección de control).

Tal y como expliqué en el artículo sobre las condiciones de contorno, la elección del régimen de cálculo influye directamente en la definición de las condiciones de contorno de la simulación:

  1. Si simulamos en régimen subcrítico debemos definir sólo condición de contorno aguas abajo.
  2. Si simulamos en régimen supercrítico debemos definir sólo condición de contorno aguas arriba.
  3. Si simulamos en régimen mixto, hay que definir las condiciones de contorno tanto aguas arriba como aguas abajo.

Con lo que incluso antes de poder realizar la simulación debemos saber cómo fluirá el líquido por el modelo… esta elección, con la experiencia, no presenta muchas dificultades, aunque el propio programa ya te da una pista de si has acertado o no mediante los resultados de la simulación.

Las pistas de HEC-Ras

¿Y cómo son las pistas que te da HEC-Ras? Pues una vez “corrida” la simulación no tienes más que mirar el perfil resultante… Para muestra, un botón:

Régimen de cálculo

Este es un perfil cuyo régimen de cálculo debe ser subcrítico, pero que se ha realizado en supercrítico (lo mismo pasaría a la inversa)… ¿no ves algo raro? Efectivamente, en toda la longitud del tramo el nivel de agua (línea azul) coincide con el calado crítico (línea roja)…

¡Aquí tenemos la pista! Como he comentado el calado crítico sólo se da en casos muy puntuales, con lo que si nos aparece en tramos muy largos, es que algo hemos hecho mal…

¿Por qué pasa esto? HEC-Ras es un programa que simula un modelo tal y como el usuario le dice que lo haga: si le decimos que debe usar un régimen de cálculo supercrítico (como en la imagen del ejemplo), el programa iterará el cálculo hidráulico en cada sección en busca de una solución de calado supercrítica… y si no la encuentra (porque la solución es subcrítica) fijará el calado con un valor igual al calado crítico para esa sección.

Mi pista

Cuando pasa esto, a solución es tan sencilla como cambiar el régimen de cálculo, ya que el efectuado ha resultado erróneo… pero ¿no sería mejor anticiparnos a este error? Pues esa anticipación sólo la da la experiencia… Pero para que tengáis un idea de por dónde van los tiros (mejor dicho, los flujos), seguid esta pauta:

  • Cuando la pendiente es suave, es muy probable que el régimen sea subcrítico
  • Cuando la pendiente es pronunciada, es muy probable que el régimen sea supercrítico.
  • Cuando hay cambios de pendientes a lo largo del tramo, o incluso cambios de sección, optad por el régimen mixto.

Normalmente, los dos primeros casos se pueden dar en canales, mientras que en la naturaleza en la mayoría de casos nos encontraremos con el tercer caso.

¿Y qué se considera pendiente suave y pendiente pronunciada? Por lo que he podido ver durante mis años de desarrollo de simulaciones, la frontera se sitúa en una pendiente del 1% (0,01).

¿Cuál es tu pista para definir el régimen de cálculo?

He intentado explicaros mi método para definir el régimen de cálculo en una simulación de un modelo en HEC-Ras y ofreceros un método para poder detectar que algo ha ido mal… Pero cada maestrillo tiene su librillo… ¿Tú tienes tu propio método?

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9 Comments

  • […] ya que la velocidad está presente en la determinación del número de Froude (gracias al que sabrás si el régimen del flujo es supercrítico o subcrítico) y en el trinomio de Bernoulli para hacer el balance de […]

  • Mauricio Javier Victoria dice:

    Saludo cordial, el régimen de flujo en ríos y canales, hace referencia a la energía potencial y cinética de los mismos (ver numero de Froude). De acuerdo a las más recientes investigaciones en régimen de flujo y morfología de cauces aluviales, se indica que no es usual encontrar en el medio natural flujos con numero de Froude mayores de 1.0 ya que esto supone un apreciable nivel de incertidumbre. A la fecha, ningún investigador ha explicado el porqué en la naturaleza no se dan números de Froude mayores que 1.0, en virtud de esto, se recomienda de acuerdo al valor del numero de Froude establecer para la modelación inicial un régimen de flujo “subcrítico” para un rango de aplicación 0 <= F <= 1.0. Recomiendo consultar el excelente libro del ingeniero Jaime Iván Ordoñez, "El régimen de flujo y la morfología de los cauces aluviales" para un claro y preciso análisis del régimen de flujo en ríos de montaña y llanura, con análisis de casos para Latinoamérica.

    Ing. Mauricio J. Victoria

  • Estefania dice:

    Buenas, soy estudiante de ingenieria civil. Ahora veo diseño de canales, y tengo un problema y agradecería enormemente que me ayudaran, Cuando hago el dimensionado del canal (busco b y h) por medio de Manning y continuidad, me encuentro con que h me da negativo, en otros casos inclusive da un valor “imaginario”. Esto a que obedece?, matematicamente y en la realidad por que pasa??. Reviso mis calculos y tengo todo bien, y supongo que la velocidad tiene que ver. Ayuda!

    • Jordi Oliveras dice:

      Hola Estefania… la verdad que lo que te ocurre no es nada habitual… sin más datos ni poder disponer de los cálculos delante soy incapaz de poder ayudarte y averiguar por qué te resulta eso…

  • Julián Chauca dice:

    Buenas, estoy modelando en un cauce natural de 5 km, con flujo no permanente para determinar áreas de inundación, con un caudal pico de 212.7 m3/s, mi pendiente varia desde 0.06 hasta 0.1, estoy trabajando en flujo mixto . Logré estabilizarlo hasta una profundidad de agua acorde a la realidad . El asunto es que en la tabla de resultados los caudales son cantidades ilógicas ( muy grandes, muy pequeños y negativos). Eso sucede cuando veo los resultados del perfil MAX WS, mientras que en el perfil siguiente me lanzan unos resultados más reales en donde varían de 180 a 700 m3/s, por lo que todavía no me arrojan los resultados esperados. Ya ingresé lo requerido para la modelación, derrepente estoy fallando en algo. Alguna sugerencia??, Un favor.

    Saludos Cordiales

  • Paola dice:

    Cordial Saludo
    Tengo la siguiente situación, un canal de descarga de una laguna que finalmente descarga en un río. Se requiere adecuar el canal para caudal de excesos que ya tenemos calculado. Sin embargo, en épocas de lluvias el Río de descarga final también tiene picos, con nivel determinado hasta cierto punto del canal (conocido). En la modelación con HEC RAS se coloca esta condición aguas abajo con un nivel conocido de 2 m que es el nivel que causa el río en ese punto, el régimen es subcrítico. Al ejecutar la modelación con el caudal de diseño se obtiene un resultado donde se indica las zonas de inundación, se pensó en ampliar la sección del canal pero siempre da el mismo nivel. Es en esto último donde está mi duda, si se está modelando bien la situación, se esperaría que el nivel bajara al aumentar la sección transversal o no necesariamente teniendo en cuenta la restricción de los 2 m, como se modelaría esta situación.

    Gracias por su ayuda

    • Jordi Oliveras dice:

      Efectivamente Paola, si el régimen es subcrítico la condición que manda es la de aguas abajo, en tu caso el nivel de agua de 2m. Y el programa lo mantiene al ser una condición de contorno. Saludos

  • Juan Carlos dice:

    Hola, estoy intentando calcular la velocidad del agua en un rio de 800m de ancho en sus diferentes perfiles transversales para identificar el lugar que aporte una mayor energia cinetica. Es posible conocer esta velocidades del rio para todo el año, como se lo hace.
    Saludos
    Juan Carlos

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