Simulación en HYDRUS-1D de flujo de agua en medios porosos / Julio César Mendoza Cervantes.

Por:

Mendoza Cervantes, Julio César

Colaborador(es):

Universidad Autónoma de Nayarit. Institución que otorga el título

Tipo de material: Texto

TextoDetalles de publicación: Tepic, Nayarit; México : El Autor, 2006Descripción: 84 h. : il. ; 28 cmTema(s):

Clasificación LoC:

QC150 .M4 2006

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Contenidos parciales:

Agradecimientos.-- Dedicatorias.-- Contenido.-- Índice de figuras.-- Índice de tablas.-- Lista de variables.-- 1. Introducción.-- 2. Objetivos.-- 2.1. Objetivo general.-- 2.2. Objetivos específicos.-- 3. Flujo de agua con saturación variable.-- 3.1. Ecuación de flujo gobernante.-- 3.1.1. Flujo uniforme.-- 3.1.2. Flujo en un sistema de porosidad dual.-- 3.2. Propiedades hidráulicas de suelos insaturados.-- 3.3. Ajuste de las funciones hidráulicas del suelo.-- 3.4. Dependencia de la temperatura de las funciones hidráulicas del suelo.-- 3.5. Histéresis en las propiedades hidráulicas del suelo.-- 3.6. Condiciones iniciales y condiciones límite.-- 3.6.1. Condiciones límite para sistemas independientes del tiempo.-- 3.6.2. Condiciones límite para sistemas dependientes del tiempo.-- 3.7. Texturas de suelo.-- 4. Solución numérica de la ecuación de flujo de agua.-- 4.1. Discretización de espacio y tiempo.-- 4.2. Tratamiento de las condiciones límite.-- 4.3.Cálculo del balance de agua.-- 4.4. Cálculo de los fluxes nodales.-- 4.5. Evaluación de las propiedades hidráulicas del suelo.-- 5. Definición del problema.-- 5.1. Construcción de la red del elemento finito.-- 5.2. Codificación de los tipos de suelo y de las sub-regiones.-- 5.2.1. Tipos de suelo.-- 5.2.2. Sub-regiones.-- 5.3. Codificación de las condiciones límite.-- 5.3.1. Condiciones límite constantes.-- 5.3.2. Condiciones límite variables.-- 5.3.3. Modelos de desagüe.-- 5.3.4. Caras de filtración.-- 5.4. Requerimientos de memoria del programa.-- 6. Almacenamiento de datos.-- 6.1. Datos de entrada.-- 6.2. Datos de salida.-- 7. Funciones del programa.-- 7.1. Módulo HYDRUSID.-- 7.2. Módulo POSITION.-- 7.3. Módulo PROFILE.-- 7.3.1. Discretización del contorno del suelo.-- 7.3.2. Especificación de las propiedades del suelo dentro de su contomo.-- 8. Pruebas experimentales.-- 8.1. Estimación de las propiedades hidráulicas de un suelo.-- 8.2. Comparación de las propiedades hidráulicas.-- 8.3. Balance de masa a diferentes flujos de agua.-- 8.4. Saturación en una columna de suelo.-- 8.5. Simulación de flujo de agua a condiciones de precipitación.-- 8.5.1. Perfiles de flujo y de las propiedades hidráulicas.-- 8.5.2. Contenido de agua y carga de presión a nodos de observación.-- 8.6. Estimación gráfica de los parámetros hidráulicos del suelo.-- 9. Conclusiones y sugerencias.-- 10. Bibliografía.

Nota de disertación: (Ingeniero Químico Industrial) U.A.N. Resumen: Desde principios y a través del tiempo el ser humano ha buscado la manera de mejorar el espacio donde habita creando herramientas que le permitan facilitar y desempeñar mejor su trabajo para el beneficio propio. Una de las herramientas en la que incursionado con éxito en los últimos años son los simuladores, que son paquetes que permiten realizar diferentes tipos tareas reproduciendo el comportamiento de un sistema en algo que en realidad no esta pasando permitiendo el ahorro de muchas cosas como el realizar trabajo experimental, tiempo y dinero. Los simuladores son también la representación mediante modelos matemáticos de un proceso en una computadora. Estos modelos muestran una realidad en la cual la complejidad de los eventos o situaciones pueden controlarse haciendo uso de principios y fundamentos para generar algoritmos de solución que realicen cálculos para la predicción de propiedades, gráficos, tablas de resultados, modelos, entre otros. Estos programas son herramientas poderosas en la realización de estas y muchas otras tareas, pero en algunos casos tienen la desventaja de tener un alto costo. En la actualidad, existe un sin fin de paquetes comerciales que pueden ayudar en la realización de diversas tareas, HYDRUS es uno más de ellos. Además su adquisición no tiene mucho problema ya que se encuentra una versión gratuita en la red. El paquete de software HYDRUS es un código de computadora que permite realizar simulaciones flujo de agua, transferencia de calor y transporte de múltiples solutos en medios porosos con saturación variable, todo esto en una dimensión, es decir, que solo trata el flujo desde la superficie del suelo hacia la profundidad de este. Al decir medios porosos con saturación variable se hace referencia principalmente a suelos, los cuales dependiendo del tipo y condiciones que este presente, pueden contener diferentes cantidades de agua lo que podemos asumir como, diferentes grados de saturación. En el aprovechamiento máximo de los recursos que provee un simulador es primordial el entendimiento de los procesos que se llevan a cabo en él, es por eso que en el presente estudio, primeramente se dará una descripción de los fundamentos, ecuaciones y leyes en los que se basa el paquete para la simulación de flujo de agua iniciando con la ecuación de transporte gobernante, modelos matemáticos, sus aplicaciones y simplificaciones para casos específicos, y algunas formas de resolución. Haciendo hincapié en los métodos de resolución, se verá un apartado exclusivamente para resolver las ecuaciones iterativa y numéricamente, ya que la mayoría de estas ecuaciones tienen un grado considerable de complejidad y por ende son difíciles de resolver analíticamente. Además se presentarán algunos aspectos propios del simulador como su organización y funcionamiento. Así mismo se propone una rutina de cómo utilizar el software, describiendo paso a paso la ruta para realizar una simulación de flujo de agua. Finalmente, se presentarán algunos problemas o pruebas experimentales en los que se pondrá a prueba el funcionamiento de HYDRUS con datos reales obtenidos de fuentes como el Laboratorio de Suelos del Centro Multidisciplinario de Investigación Científica (CEMIC) de la Universidad Autónoma de Nayarit y datos estadísticos del Servicio Meteorológico Nacional. Los ejemplos que se verán son solo demostrativos debido a que es muy complejo obtener resultados experimentales para compararlos con las simulaciones. Es importante señalar que la versión 3.0 de HYDRUS tiene algunos módulos que no se describen aquí, solo se mencionan para tener en cuenta de que existen dentro del programa. Por ejemplo, en el flujo de agua puede existir extracción de agua por las raíces de las plantas cuando se encuentran en el dominio del flujo, este apartado es algo complejo pero se trata brevemente porque es necesario considerarlo para los cálculos de balance de masa. Por otra parte, el programa es capaz de simular transporte de calor y transporte de solutos, a su vez este último tiene dos módulos como son el transporte y producción de CO₂ y la química del ión mayor. Otro módulo no descrito es el método de la solución inversa que sirve para la estimación de parámetros hidráulicos del suelo.

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Tesis	Biblioteca Electrónica-Hemeroteca	Tesis	CING QC150 .M4 2006	V. 1 Ej. 01	No sale a préstamo		132707

(Ingeniero Químico Industrial) U.A.N.

Bibliografía: h. 83-84

Agradecimientos.--
Dedicatorias.--
Contenido.--
Índice de figuras.--
Índice de tablas.--
Lista de variables.--

1. Introducción.--

2. Objetivos.--
2.1. Objetivo general.--
2.2. Objetivos específicos.--

3. Flujo de agua con saturación variable.--
3.1. Ecuación de flujo gobernante.--
3.1.1. Flujo uniforme.--
3.1.2. Flujo en un sistema de porosidad dual.--
3.2. Propiedades hidráulicas de suelos insaturados.--
3.3. Ajuste de las funciones hidráulicas del suelo.--
3.4. Dependencia de la temperatura de las funciones hidráulicas del suelo.--
3.5. Histéresis en las propiedades hidráulicas del suelo.--
3.6. Condiciones iniciales y condiciones límite.--
3.6.1. Condiciones límite para sistemas independientes del tiempo.--
3.6.2. Condiciones límite para sistemas dependientes del tiempo.--
3.7. Texturas de suelo.--

4. Solución numérica de la ecuación de flujo de agua.--
4.1. Discretización de espacio y tiempo.--
4.2. Tratamiento de las condiciones límite.--
4.3.Cálculo del balance de agua.--
4.4. Cálculo de los fluxes nodales.--
4.5. Evaluación de las propiedades hidráulicas del suelo.--

5. Definición del problema.--
5.1. Construcción de la red del elemento finito.--
5.2. Codificación de los tipos de suelo y de las sub-regiones.--
5.2.1. Tipos de suelo.--
5.2.2. Sub-regiones.--
5.3. Codificación de las condiciones límite.--
5.3.1. Condiciones límite constantes.--
5.3.2. Condiciones límite variables.--
5.3.3. Modelos de desagüe.--
5.3.4. Caras de filtración.--
5.4. Requerimientos de memoria del programa.--

6. Almacenamiento de datos.--
6.1. Datos de entrada.--
6.2. Datos de salida.--
7. Funciones del programa.--
7.1. Módulo HYDRUSID.--
7.2. Módulo POSITION.--
7.3. Módulo PROFILE.--
7.3.1. Discretización del contorno del suelo.--
7.3.2. Especificación de las propiedades del suelo dentro de su contomo.--

8. Pruebas experimentales.--
8.1. Estimación de las propiedades hidráulicas de un suelo.--
8.2. Comparación de las propiedades hidráulicas.--
8.3. Balance de masa a diferentes flujos de agua.--
8.4. Saturación en una columna de suelo.--
8.5. Simulación de flujo de agua a condiciones de precipitación.--
8.5.1. Perfiles de flujo y de las propiedades hidráulicas.--
8.5.2. Contenido de agua y carga de presión a nodos de observación.--
8.6. Estimación gráfica de los parámetros hidráulicos del suelo.--

9. Conclusiones y sugerencias.--

10. Bibliografía.

Desde principios y a través del tiempo el ser humano ha buscado la manera de mejorar el espacio donde habita creando herramientas que le permitan facilitar y desempeñar mejor su trabajo para el beneficio propio. Una de las herramientas en la que incursionado con éxito en los últimos años son los simuladores, que son paquetes que permiten realizar diferentes tipos tareas reproduciendo el comportamiento de un sistema en algo que en realidad no esta pasando permitiendo el ahorro de muchas cosas como el realizar trabajo experimental, tiempo y dinero. Los simuladores son también la representación mediante modelos matemáticos de un proceso en una computadora. Estos modelos muestran una realidad en la cual la complejidad de los eventos o situaciones pueden controlarse haciendo uso de principios y fundamentos para generar algoritmos de solución que realicen cálculos para la predicción de propiedades, gráficos, tablas de resultados, modelos, entre otros. Estos programas son herramientas poderosas en la realización de estas y muchas otras tareas, pero en algunos casos tienen la desventaja de tener un alto costo.

En la actualidad, existe un sin fin de paquetes comerciales que pueden ayudar en la realización de diversas tareas, HYDRUS es uno más de ellos. Además su adquisición no tiene mucho problema ya que se encuentra una versión gratuita en la red. El paquete de software HYDRUS es un código de computadora que permite realizar simulaciones flujo de agua, transferencia de calor y transporte de múltiples solutos en medios porosos con saturación variable, todo esto en una dimensión, es decir, que solo trata el flujo desde la superficie del suelo hacia la profundidad de este. Al decir medios porosos con saturación variable se hace referencia principalmente a suelos, los cuales dependiendo del tipo y condiciones que este presente, pueden contener diferentes cantidades de agua lo que podemos asumir como, diferentes grados de saturación.

En el aprovechamiento máximo de los recursos que provee un simulador es primordial el entendimiento de los procesos que se llevan a cabo en él, es por eso que en el presente estudio, primeramente se dará una descripción de los fundamentos, ecuaciones y leyes en los que se basa el paquete para la simulación de flujo de agua iniciando con la ecuación de transporte gobernante, modelos matemáticos, sus aplicaciones y simplificaciones para casos específicos, y algunas formas de resolución. Haciendo hincapié en los métodos de resolución, se verá un apartado exclusivamente para resolver las ecuaciones iterativa y numéricamente, ya que la mayoría de estas ecuaciones tienen un grado considerable de complejidad y por ende son difíciles de resolver analíticamente.

Además se presentarán algunos aspectos propios del simulador como su organización y funcionamiento. Así mismo se propone una rutina de cómo utilizar el software, describiendo paso a paso la ruta para realizar una simulación de flujo de agua.

Finalmente, se presentarán algunos problemas o pruebas experimentales en los que se pondrá a prueba el funcionamiento de HYDRUS con datos reales obtenidos de fuentes como el Laboratorio de Suelos del Centro Multidisciplinario de Investigación Científica (CEMIC) de la Universidad Autónoma de Nayarit y datos estadísticos del Servicio Meteorológico Nacional. Los ejemplos que se verán son solo demostrativos debido a que es muy complejo obtener resultados experimentales para compararlos con las simulaciones.

Es importante señalar que la versión 3.0 de HYDRUS tiene algunos módulos que no se describen aquí, solo se mencionan para tener en cuenta de que existen dentro del programa. Por ejemplo, en el flujo de agua puede existir extracción de agua por las raíces de las plantas cuando se encuentran en el dominio del flujo, este apartado es algo complejo pero se trata brevemente porque es necesario considerarlo para los cálculos de balance de masa. Por otra parte, el programa es capaz de simular transporte de calor y transporte de solutos, a su vez este último tiene dos módulos como son el transporte y producción de CO₂ y la química del ión mayor. Otro módulo no descrito es el método de la solución inversa que sirve para la estimación de parámetros hidráulicos del suelo.

Área de Ciencias Básicas e Ingenierías