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El resalto hidráulico es un fenómeno de escurrimiento a superficie libre rápidamente variado que surge en la transición entre un flujo supercrítico y un flujo subcrítico. Cuando el tirante conjugado de ingreso se sumerge, tiene lugar un caso distintivo de resalto que trae como consecuencia la aparición de dos vórtices verticales y una caída abrupta de la entrada de aire. Estas dos estructuras coherentes, junto con el torbellino de eje horizontal que es propio de todos los resaltos, convierten al resalto sumergido en un proceso de alta turbulencia tridimensional. La presente tesis tiene como finalidad caracterizar el flujo turbulento en resaltos hidráulicos sumergidos aguas abajo de una compuerta plana, utilizando métodos experimentales y simulaciones numéricas tipo CFD. El objetivo principal de esta investigación es analizar características esencialmente tridimensionales que no han sido tenidas en cuenta en estudios previos. A tales fines, se generó un nuevo conjunto de datos experimentales que incluye el campo de velocidades medias, la energía cinética turbulenta y las tensiones de Reynolds en el interior del resalto. Las mediciones, realizadas a partir de técnicas de velocimetría acústica Doppler (ADV) y de velocimetría por seguimiento de partículas (PTV) en un canal de laboratorio, abarcan un rango amplio de números de Froude incidentes Fr1 (2.0, 3.0, 4.0 y 5.0) y de índices de sumergencia S (2.3 a 0.2). Se presenta un estudio integral de las estructuras coherentes verticales que se forman inmediatamente aguas abajo de la compuerta plana. Se dedica un apartado especial a estudiar la longitud del resalto sumergido a partir de la evolución de la energía cinética turbulenta. Asimismo, se realizaron simulaciones numéricas LES-NWM y RANS para predecir el comportamiento del resalto sumergido para la condición Fr1 = 2.0 y S = 1.0. Se demuestra que la simulación LES-NWM es la única que permite captar las estructuras vorticosas cercanas a la compuerta, incluyéndose para su validación mediciones experimentales de parámetros medios del escurrimiento y espectros de energía de las fluctuaciones de velocidad. Sobre la base del muy buen acuerdo entre los resultados numéricos y experimentales, se propone una caracterización de la dinámica interna del resalto a partir del análisis espectral de las variables fundamentales del escurrimiento (velocidad, presión y altura de la superficie libre). En particular, se ha estudiado el desprendimiento de la capa límite en el fondo del canal aportando evidencias sobre las causas que dan origen a este fenómeno y sus consecuencias. Aunque la mayor parte de esta tesis se enmarca dentro de la mecánica de fluidos básica, sus implicaciones se extienden mucho más allá y contribuyen a la comprensión de un fenómeno de particular relevancia en la ingeniería hidráulica, como lo demuestra el uso extensivo de resaltos hidráulicos como disipadores de energía.

Caracterización experimental y simulación numérica de procesos tridimensionales de alta turbulencia en capas de mezcla: resalto sumergido