Anexo 3. Formulación basada en los resultados experimentales

ANEXO 3
HERRAMIENTAS COMPLEMENTARIAS A LA GUIA
METODOLÓGICA
ENSAYOS EN MODELO
FÍSICO Y FORMULACIÓN
BASADA EN RESULTADOS
EXPERIMENTALES
Versión 1.0

Este documento se ha obtenido como resultado del proyecto de I+D+i: MEDVSA. “Desarrollo e
implementación de una metodología para la reducción del impacto ambiental de los
vertidos de salmuera procedentes de las plantas desaladoras” 045/RN08/03.3
MEDVSA es un proyecto de I+D+i, del Programa Nacional de Desarrollo Experimental (2008-2010),
Subsector: gestión y uso sostenible de los recursos naturales, concedido y financiado por el Ministerio
de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino.
Los trabajos han sido coordinados por el Instituto de Hidráulica Ambiental de la UC y desarrollados
en colaboración con el Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX).
La Guía Metodológica desarrollada en el proyecto MEDVSA incluye la documentación:
MEDVSA incluye los siguientes documentos:
- GUÍA METODOLÓGICA
- Anexo 1. Fichas descriptivas de los modelos comerciales
- Anexo 2. Modelos de simulación MEDVSA.
- Anexo 3. Formulación basada en los resultados experimentales
- Anexo 4. Caracterización de clima marino
- Anexo 5. Reglas básicas para la implementación de modelos CFDs en la simulación de campo
cercano
- Anexo 6. Reglas básicas para la implementación de modelos hidrodinámicos en la simulación de
campo lejano
- Anexo 7. Medidas preventivas y Programa de Vigilancia Ambiental
El presente documento constituye el Anexo 3: Formulación basada en los resultados
experimentales.
AUTORES DEL DOCUMENTO:
INSTITUTO DE HIDRÁULICA AMBIENTAL:
Pilar Palomar (palomarmp@unican.es)
Laurent Tarrade
Javier L. Lara
Iñigo J. Losada (losadai@unican.es)
CENTRO DE ESTUDIOS DE PUERTOS Y COSTAS (CEDEX):
Ana Álvarez (Ana.Alvarez@cedex.es))
Francisco Vila
Macarena Rodrigo
Antonio Ruiz Mateo (Antonio.Ruiz@cedex.es)

ANEXO 3
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….......... 1
2. INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL CON TÉCNICAS CONVENCIONALES (CEDEX)
2.1. INTRODUCCIÓN…………………………….…………………..…..…………………………………. 2
2.2. VERTIDOS SUMERGIDOS……………………………………………………………………………. 2
2.3. VERTIDOS EN LA COSTA A NIVEL DEL MAR (PLAYAS, DESEMBOCADURAS)…………. 15
2.4. CAMPO LEJANO…………..………………………………………………………………………..… 28
2.5. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN…….………………………………………………..…… 33
2.6. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..… 33
3. INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL CON TÉCNICAS ÓPTICAS LÁSER (IH CANTABRIA)
3.1. OBJETIVOS Y SELECCIÓN DE ENSAYOS………………….………………………..………….. 36
3.2. METODOLOGÍA. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS……………………………………….….. 39
3.3. POSTPROCESADO Y ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES…………………………… 46
3.4. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN……………….………………………..……………….. 57
3.5. REFERENCIAS…….……………………………………….………………………..………………… 58

1. INTRODUCCIÓN
En el marco del proyecto MEDVSA se ha llevado a cabo una exhaustiva investigación experimental mediante técnicas diferentes, por
una parte: técnicas convencionales, y, por otra parte: técnicas ópticas láser no intrusivas.
La investigación experimental en modelos físicos a escala reducida tiene como principales objetivos:
- Aumentar el conocimiento sobre los procesos de mezcla a los que está sometido el efluente hipersalino cuando entra en
contacto con el medio marino, bajo configuraciones de descarga hasta ahora poco estudiadas, y sometido a la acción de
variables ambientales dinámicas, como las corrientes y del oleaje. Para ello se estudiará la dilución del efluente en las
inmediaciones del punto de vertido y a determinadas distancias del mismo, así como las características de la capa hiperdensa
formada en el fondo.
- Avanzar en la validación de los modelos numéricos que predicen el comportamiento de la salmuera. Se obtendrá una base de
datos experimentales a partir de la cual obtener fórmulas de predicción semi-empíricas, y con la que calibrar y validar
modelos más complejos.
- Proponer fórmulas de cálculo para el prediseño basadas en el análisis dimensional.
- Calibrar y validar los modelos comerciales (Ver Anexo 1) y las herramientas de modelado numérico MEDVSA (ver Anexo 2)
utilizadas para la simulación de vertidos de salmuera.
- Generar bases de datos de datos experimentales para la calibración y validación de modelos numéricos avanzados.
Para conseguir estos objetivos, se han realizado ensayos utilizado dos grupos de técnicas experimentales diferentes:
- Ensayos mediante técnicas convencionales (desarrolladas en el CEDEX) : medición en puntos aislados (con tomamuestras,
microconductímetros, velocímetros doppler) o de extensión de la zona afectada (mediante fotografía y vídeo aéreo y
submarino). Para ello se han utilizado 4 instalaciones: un canal de oleaje de 1m (ancho) x 2m (alto) x 54m (largo), otro de
1,2m x 1,0m x 20m, un tanque para ensayos sin corrientes ni oleaje de 7m x 1m x 14m y un tanque para ensayos con
corriente y oleaje, de forma de pentágono irregular de 270m2 de superficie. Este último se ha construido para el proyecto
MEDVSA y constituye por el momento la única instalación en el mundo capaz de simular vertidos con presencia simultánea de
corrientes paralelas a la costa y oleaje de incidencia oblicua. Se han realizado más de 160 ensayos de vertidos mediante
emisarios submarinos, mediante canal a nivel de playa y mediante aliviadero en acantilado. Los resultados de todos los
ensayos se describen en las memorias científico-técnicas. Del análisis de los resultados se han derivado fórmulas sobre
diluciones obtenidas, elevación y alcance de los chorros, tamaño del campo cercano y comportamiento en el primer tramo
del campo lejano. Las más útiles para el diseño se presentan en el Capítulo 2 del presente Anexo 3 de la Guía.
- Ensayos mediante técnicas ópticas láser (desarrollados en el IH Cantabria): se ha desarrollado la metodología para la
implementación del uso de estas técnicas para el modelado físico de vertidos hiperdensos de salmuera. Las principales
ventajas es que es una técnica es no intrusiva (es decir, la medición no altera el comportamiento del flujo) y que mide el
comportamiento prácticamente instantáneo de todo el flujo (en lugar de en puntos aislados). El uso sincronizado de la técnica
LIF (Laser Induced Fluorescence) y la técnica PIV (Particle Image Velocimetry), permite medir simultáneamente
concentraciones y velocidades instantáneas del flujo. Los datos PIV-LIF generados hacen posible estudiar en detalle el
comportamiento medio y turbulento del flujo y calibrar modelos numéricos con alto grado de fiabilidad. En el marco del
proyecto MEDVSA, se ha construido un tanque de 3x3x1m³, con laterales acristalados para realizar ensayos 3D. Se ha
estudiado mediante esta técnica el comportamiento de un chorro sumergido individual, modificando el número de Froude
densimétrico, el ángulo de descarga y la pendiente del fondo. Los resultados obtenidos se han analizado cualitativamente y
en los próximos meses, una vez realizado su análisis cualitativo, serán utilizados para calibrar las herramientas de modelado
MEDVSA.
En los apartados siguientes, se describen los ensayos realizados, las metodologías y una síntesis de resultados obtenidos, presentados
en tablas, que incluyan una descripción cualitativa del comportamiento del vertido, así como fórmulas de cálculo semi-empíricas para
predecir el comportamiento. De este modo se dota de herramientas útiles al usuario.
1

2. INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL CON TÉCNICAS CONVENCIONALES
La investigación experimental con técnicas convencionales se ha realizado en el Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC)
del CEDEX.
2.1. INTRODUCCIÓN
El diseño ambiental del dispositivo de vertido de salmuera de una planta desaladora consiste en la elección del sistema de vertido y de
los parámetros geométricos e hidráulicos del dispositivo de forma que se asegure el cumplimiento de los criterios de calidad y que se
produzca el mínimo impacto ambiental posible.
Las principales herramientas para el diseño ambiental son aquellas que permiten predecir las concentraciones de los distintos
contaminantes en función de los parámetros del dispositivo de vertido y de las características del medio receptor.
En los siguientes apartados se proponen como herramientas de diseño del dispositivo de vertido de salmuera y del diseño del plan de
vigilancia ambiental, una serie de recomendaciones y formulas basadas en los datos experimentales disponibles en la literatura y en los
ensayos realizados por el CEDEX en el marco de este proyecto.
El comportamiento del efluente cuando se vierte al mar depende naturalmente del sistema de vertido utilizado. Estos se pueden
clasificar en dos grupos: los que se realizan sobre la misma línea de costa y los que se realizan en el fondo del mar. Los primeros tienen
con respecto a los segundos la ventaja de que pueden construirse desde tierra, con lo que se evitan la peligrosidad, la incertidumbre,
los impactos ambientales y los elevados costes que presentan las obras marítimas, pero tienen el inconveniente de que conseguir las
diluciones buscadas es mucho más difícil. Como consecuencia, los primeros son más económicos pero menos eficientes para provocar
las diluciones.
La elección de un tipo u otro de sistema de vertido vendrá determinado por la sensibilidad de los ecosistemas presentes en la zona de
vertido, de su distancia al punto de vertido y, por tanto, de las necesidades de dilución del efluente.
En el presente Anexo se presentan recomendaciones y fórmulas para el campo cercano de los dos tipos de dispositivos de vertido más
utilizados: el vertido sumergido a través de emisarios submarinos y el vertido en la línea de costa a nivel del mar, generalmente
mediante un canal o tubería que descarga en una playa o aprovechando el cauce de algún torrente. También se da una formulación
para el estudio del campo lejano válida para cualquier dispositivo de vertido.
2.2. VERTIDOS SUMERGIDOS.
Antes de dar las pautas para el diseño con estos sistemas de vertido, conviene hacer un repaso de los estudios experimentales
previamente publicados sobre el comportamiento de un vertido de este tipo.
2.2.1. ESTUDIOS PREVIOS
De la numerosa bibliografía que hace referencia al comportamiento de un vertido en el medio marino mediante chorros, pocos son los
artículos o publicaciones científicas relativas al comportamiento de un vertido hiperdenso. De estos artículos, son aun menos los que se
refieren a estudios experimentales.
La mayor parte de los que sí lo hacen centran su atención en el análisis de de las propiedades de chorro en dos zonas o secciones
transversales especiales del campo cercano. Algunos autores han estudiado las propiedades del chorro en su altura máxima (Zhang y
Baddour, 1998, Bloomfield y Kerr,2002 y Cipollina et al, 2005). Otros además proporcionan datos sobre la zona de impacto del chorro
con el fondo del modelo (Zeitoun et al, 1970., Roberts y Toms, 1987, Roberts et al, 1997, Nemlioglu. y Roberts, 2006, Kikert et al.,
2007, Shao y Law, 2010 y Papakonstantis et al., 2011).
Sólo una de las referencias (Roberts et al, 1997) hace mención a la zona posterior al impacto en la que la turbulencia generada por éste
produce una dilución adicional tras la cual el vertido forma una capa hiperdensa que discurre pegada al fondo en lo que se conoce
como campo lejano. La sección transversal en la que puede considerarse que las turbulencias generadas por el vertido han
desaparecido y las distintas masas de agua con diferentes grados de dilución se han estratificado de acuerdo con sus densidades marca
2

el final del campo cercano y el comienzo del campo lejano, razón por la cual es denominada en los ensayos realizados por el CEDEX
sección última y se representa con el subíndice U.
En cuanto a las variables que los autores consideran de mayor importancia en el comportamiento del vertido, todos coinciden en
estudiar la influencia del número de Froude y muchos analizan además el ángulo de vertido (Cederwall et al, 1968, estudia
exclusivamente un chorro vertical).
Del medio receptor, no son pocos los autores que han prestado atención al efecto de la corriente (Pincince et al, 1973, Anderson et al.,
1973, Chu et al., 1975, Tong y Stolzenbach, 1979, Roberts y Toms, 1987 y Gungor y Roberts, 2009) con un vertido vertical o
inclinado. En cambio, no se han encontrado referencias que atiendan a estudiar experimentalmente el efecto de la pendiente del fondo.
Sólo dos autores estudian la influencia de la altura de la boca de descarga con respecto al fondo (Roberts et al, 1997 y Shao et al,
2010).
Todos ellos, han centrado sus estudios en el análisis de un único chorro, pero en pocos puede considerarse como un chorro aislado
(Shao et al., 2010). En los ensayos realizados por el CEDEX se ha observado que al impactar un chorro con el fondo, se abre muchísimo
(varios metros de anchura en fondo con pendiente del 2% para chorros que inmediatamente antes del impacto tienen un diámetro de
unos 20 cm), de tal forma que si en el tanque de experimentación no se ha construido un falso fondo separado de las paredes que
permita la caída libre y almacenamiento de vertido por los lados del modelo, el rebote de éste con las paredes influye significativamente
en los resultados (Figura 1). En los estudios realizados por el equipo de investigación de Roberts (Roberts y Toms, 1987, Roberts et al,
1997 Nemlioglu. y Roberts, 2006 y Gungor y Roberts, 2009) el tanque de experimentación tiene un falso fondo, al parecer horizontal,
que crea espacio de almacenamiento de la mezcla y caída libre al final del campo cercano. Pero no se informa sobre el confinamiento
delantero y el lateral.
Figura 1: Apertura de un chorro aislado tras el impacto con el fondo.
Finalmente no se han encontrado referencias en las que se estudie de manera experimental el efecto de la separación entre chorros de
vertidos hiperdensos en un emisario constituido por más de una boca difusora. Existen estudios relativos a la configuración del vertido
de desaladoras concretas pero que no son extrapolables a casos generales de vertidos con tramos difusores de bocas múltiples.
En las siguientes tablas, extraídas de Palomar et al. (2012), se resumen los principales resultados del conjunto de referencias
bibliográficas analizadas.
Medio receptor en reposo
Referencia θ (º) Fr0 zb,m / d0Fr0 zc,m / d0Fr0 xb,m / d0Fr0 xI / d0Fr0 SI / Fr0
Zeitoun et al. 30 25-60 1.04 3.48
45 1.56 3.33
60 2.13 3.19 1.12
Roberts (1987) 60 2.08 (Fr0>20) 1.03 (Fr0>12)
Roberts (1997) 60 19-36 2.2 2.4 1.6
3

Bloomfield et al 30

2.2.2. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL CEDEX
Respecto a los ensayos realizados en el marco del proyecto MEDVSA para vertidos a través de emisarios submarinos, ya sea con tramo
difusor final o a través de una sola boca de descarga se ha analizado la influencia de las siguientes variables en el comportamiento del
vertido en el campo cercano:
• Pendiente del fondo,
• Ángulo de inclinación vertical
• Velocidad de salida en la boca de descarga (a través del análisis el número de Froude densimétrico, Fr0)
• Profundidad en la zona de vertido
• Intensidad de la corriente
• Separación entre bocas en vertidos con tramo difusor
Figura 2: Variables de diseño de los ensayos
Para ello se han llevado a cabo más de 100 ensayos en distintos canales y tanques de experimentación. Un grupo importante de
ensayos, porque de ellos se desprende del comportamiento de un chorro aislado, es el realizado con un único chorro en el tanque de
experimentación de 14 m de largo por 7 m de ancho por 1m de alto con falso fondo que permite la caída del vertido tras el impacto y
su almacenamiento bajo el modelo. Para el estudio de la intensidad de la corriente del medio receptor se realizaron ensayos en dos
modelos diseñados para tal fin: uno en un canal de experimentación de 18 m de largo por 1.2 m de ancho y 0.8 m de alto, también con
falso fondo, sobre el que se estudió el comportamiento de un único chorro en el campo cercano y otro en un modelo de más de 200 m²
de superficie. Finalmente, para la gran mayoría de ensayos restantes se construyó un modelo en el mencionado canal de ensayos de 18
m de largo, en el que el falso fondo sólo permitía la caída del vertido por las partes anterior y posterior (con contornos laterales).
Todos los ensayos con chorros múltiples se han realizado con el tramo difusor situado sobre una curva batimétrica, es decir, paralelo a
la costa, y con todas las bocas de descarga vertiendo en la misma dirección, la de la máxima pendiente descendente, ya que esta es la
disposición más frecuente en los emisarios que se están construyendo actualmente.
De manera esquemática, en la siguiente tabla puede verse el rango de valores adimensionalizados de las variables analizadas.
Vertidos sumergidos mediante chorros (CH)
Pendiente del fondo (%) 0-5
Intensidad de la corriente para σ=90, urFr0
Ángulo de vertido, θ (º) 30 - 60
Número de Froude densimétrico, Fr0
Altura de las bocas de descarga, h0 / d0Fr0
Separación entre bocas de descarga, s / d0Fr0
5
0-1
8 - 35
0,1 - 1
0 - *
Altura de la columna de agua

El símbolo “”, para la variable de separación entre bocas, es un término que identifica los ensayos realizados con un único chorro sin
interacción con los contornos laterales.
En el campo referente a la profundidad de la columna de agua el símbolo “” se refiere a un calado suficiente como para evitar el
contacto del chorro en su altura máxima con la superficie libre del agua, mientras que el símbolo “

SI / Fr0
zb,m / d 0Fr0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Efecto de la pendiente en las
diluciones mínimas en el Impacto:
0 1 2 3 4 5 6
s / d 0 Fr 0
Influencia de la pendiente del fondo en la altura máxima
del borde superior del chorro
0 15 30 45 60 75
Ángulo de vertido
Figura 4: Comparación de los valores obtenidos con iguales configuraciones de vertido modificando la pendiente del fondo. () Ensayos con pendiente del
2%, () Ensayos con pendiente del 5%
En caso de pendientes muy pronunciadas, el incremento en el recorrido de la trayectoria del chorro hasta impactar con el fondo marino
si podría conllevar un aumento en la dilución. En estos casos si no se considera la pendiente del fondo en el diseño de la configuración
de vertido, una pendiente pronunciada supondría un margen de seguridad en la dilución obtenida para este diseño.
2. Al impactar los chorros con el fondo, se forma una capa hiperdensa que se esparce en todas direcciones, también en sentido
contrario al del flujo y al de la máxima pendiente descendente, pudiendo alcanzar cotas superiores a la del fondo en la
vertical de la boca de descarga (zona de retroceso, ZR).
Por eso, en el caso de que exista alguna comunidad crítica próxima al punto de vertido en fondos con cotas más altas, durante el
diseño debe estimarse la extensión de la zona de retroceso y las salinidades esperables en dicha zona. Si de esta estimación resulta que
dicha comunidad no se encuentra muy lejos del borde de la zona de retroceso, el plan de vigilancia ambiental deberá contemplar la
colocación de una zona de vigilancia en la parte más próxima al punto de vertido.
P2A30
P5A30
P2A45
P5A45
P2A60
P5A60
P2F10
P5F10
P2F20
P5F20
P2F30
P5F30
Por ejemplo, con una pendiente del fondo del 2%, para velocidades de vertido elevadas, (Fr0 entre 20 y 30) y ángulo de inclinación de
la boca de descarga de 60º, se ha observado que a una distancia del punto de vertido 7.5d0Fr0 en el sentido de la máxima pendiente
ascendente, el exceso de concentración en el fondo es del 1%. Este mismo exceso de concentración se observa a una distancia de
4.5d0Fr0 para chorros con el mismo rango de valores de Fr0 y ángulo de inclinación de 45º. Estos valores transformados a dimensiones
de una desaladora tipo del mediterráneo con una boca de vertido de d0 =15 cm, Fr0 = 30 indicarían que a una distancia de la boca de
30m todavía se observaría el efecto del vertido (salinidad de 37.8 psu si consideramos una salinidad del medio de 37,5 psu y un factor
de conversión del 45%).
La pendiente sí influye en el tamaño de la zona de retroceso. Se ha observado que para pendiente del 5% la distancia al borde de la
zona de retroceso es inferior a la tercera parte de la distancia para pendiente del 2%.
3. Entre los márgenes de seguridad que se aplican para evitar los efectos perjudiciales durante la explotación de la planta
desaladora en cuanto al uso de herramientas de predicción del comportamiento del vertido, se encuentra el de no contar con
los incrementos de dilución que se producen en aquellos tramos para los que no existían herramientas de predicción fiables
incluso aunque se tenga constancia de que efectivamente se producen. Con este criterio tan conservador, ha venido
7
SU / Fr0
eZA / Fr0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Efecto de la pendiente en las
diluciones mínimas de la Zona de adaptación
0 1 2 3 4 5 6
s / d 0 Fr 0
Influencia de la pendiente del fondo en el espesor de la capa
hiperdensa en la zona de adaptación
0 15 30 45 60 75
Ángulo de vertido
P2A30
P5A30
P2A45
P5A45
P2A60
P5A60
P2F10
P5F10
P2F20
P5F20
P2F30
P5F30

quedando fuera de consideración, entre otros fenómenos, la dilución adicional que se produce por el resalto hidráulico de la
corriente de fondo tras el impacto con el fondo.
Uno de los objetivos del presente proyecto era determinar experimentalmente las diluciones que se consiguen al final del campo
cercano de una forma suficientemente fiable como para poder tenerlas en cuenta en el diseño. Las formulas que se proponen a
continuación son el resultado de esta investigación y se podrán usar para calcular la dilución que se consigue al final del campo
cercano.
Durante la experimentación física se han encontrado que algunas secciones con definición conceptual muy clara no existen de una
forma nítida en la realidad. Esto sucede por ejemplo con la sección I donde se produce el impacto del eje del chorro con el fondo. En
realidad este punto de impacto oscila continuamente y no está bien determinado porque el chorro instantáneo se compone de una
sucesión de masas de efluente con distintos grados de mezcla con el medio con ubicaciones variables en torno al supuesto eje del
chorro. Además, no merece la pena esforzarse en precisar mucho porque en cualquier punto de la zona delimitada por los bordes del
chorro, las fuertes turbulencias que existen hacen que los valores instantáneos varíen rápidamente y que sus propiedades estadísticas,
incluyendo las salinidades medias, sean muy similares entre sí (Figura 5).
La conclusión obtenida a partir de estos resultados es que no resulta tan crítica la elección del punto donde el eje del chorro impacta
con el fondo. A efectos prácticos puede considerarse que éste se producirá a una distancia
P2F8
P2F10
P2F10*
P2F16
P2F20
P2F20*
P2F24
P2F30
P2F30*
P0F10
P0F10*
P0F20
P0F20*
P0F30
P5F10
P5F30
P5F2.5
xI/ Fr0d 0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Distancia al origen del punto de impacto
Ángulo de vertido=30º
0 1 2 3 4 5 6 7 8
s / d 0 Fr 0
8
x
'
x
I
I comprendida entre 3 y 5.
d 0Fr0
Figura 5: Ejemplo del comportamiento del vertido en la zona de impacto. Izquierda: Distancia al origen del punto de impacto en función de la separación
entre bocas. (θ=30º). Derecha; valores de conductividad media y rangos de variación de los valores instantáneos en el fondo para un vertido realizado con
una única boca (s/d0Fr0= 2.61), θ=60º y Fr0=20
Si se toma como referencia para el diseño del dispositivo de vertido la dilución conseguida en el punto de impacto, para estar del lado
de la seguridad se recomienda considerar que en ningún punto del fondo situado a una distancia inferior 5d0Fr0 por el lado de la
pendiente descendente pueden obtenerse diluciones superiores a las calculadas con las formulaciones que se explican más adelante
para el punto de impacto. Sin embargo, a efectos del programa de vigilancia ambiental, si lo que se pretende es comprobar la dilución
conseguida en esta zona, debe medirse en cualquier punto situado en el rango de distancias 3d0Fr0 a 5d0Fr0 .
La distancia a la última sección del campo cercano presenta aún mayor variabilidad debido a la dificultad que supone
experimentalmente observar este punto. Los valores observados de la distancia
x
'
Valores medios de conductividad en X
x
U
U d 0 Fr0
oscilan entre 6 y 16.
Por tanto si se decide tomar como referencia para el diseño del dispositivo de vertido la dilución conseguida en la última sección del
campo cercano, para estar del lado de la seguridad se recomienda considerar que la dilución calculada para la sección última con las
formulaciones que se explican más adelante no se alcanza hasta llegar a una distancia de, al menos, 16d0Fr0 del punto de vertido. A
efectos del programa de vigilancia ambiental, como las salinidades en el fondo se mantienen constantes durante el primer tramo del
campo lejano, se puede comprobar la dilución conseguida en la sección última midiendo a una distancia algo superior. No obstante, si
existe alguna comunidad crítica en las inmediaciones de esta sección es más recomendable medir en los límites de aparición de dicha
comunidad.
Conductividad (v)
-4,7
-4,72
-4,74
-4,76
-4,78
-4,8
-4,82
-4,84
-4,86
-4,88
-4,9
-4,92
-4,94
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74
Distancia al punto de vertido Y (cm)

Finalmente, y aunque carezca de mayor importancia a la hora de diseñar el dispositivo de vertido, la distancia a la que el chorro alcanza
su altura máxima
x
x
b,
m
b, m '
oscila entre 1,5 y 2,5.
d 0Fr0
4. Para calcular la dilución que un chorro aislado, que no interacciona con contornos laterales ni con la superficie libre en un
medio receptor en reposo, alcanza en el campo cercano se recomienda aplicar las siguientes fórmulas deducidas a partir de
los resultados experimentales (6) manteniéndose del lado de la seguridad:
' 1,
75
0,
020(
60
)
S I
para el punto de impacto
' 2,
55
0,
034(
60
)
SU
para la última sección del campo cercano
Siendo,
S' I
S' U
S
I
S
U
Fr
0
Fr
0
; Dilución en el impacto de un chorro aislado en un medio en reposo
; Dilución en último de un chorro aislado en un medio en reposo
Ángulo vertical de inclinación de la boca de descarga, expresado en grados sexagesimales.
SI/Fr0
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
15 25 35 45 55 65 75
θ (º)
S U /Fr0
Figura 6; Diluciones obtenidas para un chorro aislado en un medio receptor en reposo con distintos ángulos de inclinación y números de Froude. Izquierda:
Punto de impacto. Derecha: Sección última
5. En el caso de emisarios submarinos con tramo difusor situado sobre una batimétrica en los que el vertido se realiza a través
de múltiples bocas de descarga con chorros perpendiculares a éste en el sentido de la máxima pendiente descendente, la
presencia de otros chorros produce interferencias que hacen que la reducción de salinidad obtenida sea inferior a la que se
podría obtener si estuviera funcionando sólo uno de ellos con el mismo caudal que antes le correspondía a cada uno.
Como ya se ha explicado, al impactar los chorros en el fondo se esparcen en todas direcciones con bastante velocidad y el gran tamaño
de la corriente hiperdensa en torno a la zona de vertido hace que esta interacción afecte a las diluciones conseguidas incluso para
separaciones entre bocas bastante superiores a las que hasta este momento se venían considerando. Por esta razón se han realizado
en el CEDEX como parte del presente proyecto numerosos experimentos variando la separación entre las bocas en unas condiciones en
las que se simula un tramo difusor de longitud infinita. Las expresiones que se presentan a continuación para calcular las diluciones son
el resultado de esta investigación. Utilizándolas para tramos difusores de longitud finita se vuelve a tener un margen de seguridad.
Por tanto para el caso de emisarios submarinos, la dilución mínima que se consigue en un medio receptor en reposo puede calcularse a
partir de las siguientes expresiones deducidas de los resultados experimentales para el rango de valores estudiados (Figura 7).
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
15 25 35 45 55 65 75
θ (º)
9

Para la zona de impacto:
S' S' S' S' I
Siendo;
s
I
s0
' SI / Fr0
kIs' 1e I
I
s0
10
S I s s
: Dilución mínima en el impacto de un vertido con múltiples bocas con una separación “s” entre
ellas en un medio receptor en reposo
' SI / Fr0
S I s0
s0
: Dilución mínima del vertido suponiendo múltiples bocas sin separación entre ellas. Valor
determinado experimentalmente.
I '
S : Dilución mínima del vertido suponiendo un único chorro aislado
s' s / d 0 Fr0
, Separación entre bocas contiguas
kI = 0,55; Constante determinada experimentalmente
Para la sección última:
kUs' 1e S' S' S' S' U
Siendo;
s
U
s0
' SU / Fr0
U
U
s0
SU s
s ; Dilución mínima en punto último de un vertido con múltiples bocas con una separación “s”
entre ellas en un medio receptor en reposo
' SU / Fr0
SU s
0 s
0
Dilución mínima del vertido suponiendo múltiples bocas sin separación entre ellas. Valor
determinado experimentalmente.
U '
S ; Dilución mínima del vertido suponiendo un único chorro aislado
s' s / d 0 Fr0
, Separación entre bocas contiguas
kU = 0,35; Constante determinada experimentalmente
Es remarcable el hecho de que (SI’)s = 0 y (SU’)s = 0 tengan el mismo valor, que además no varía cualquiera que sea el ángulo
de vertido.

Figura 7: resultados experimentales de la dilución obtenida para los distintos ángulos de inclinación del vertido. Izquierda: Diluciones en la zona de
Impacto. Derecha: Diluciones en la última sección del campo cercano.
6. Aunque el efluente de una desaladora suele ser transparente e incoloro, no resulta estético ver desde fuera como surge agua
de un vertido en la superficie. Por tanto debería evitarse el impacto del chorro con la superficie.
Para evitar este impacto, es necesario determinar la altura que alcanza la envolvente superior o borde del chorro. Según los resultados
obtenidos en los experimentos, está altura puede calcularse a partir de la expresión:
z
b,
m
Siendo,
z
SI / Fr0
SI / Fr0
SI / Fr0
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
'
1,
95
z
Diluciones mínimas en el Impacto, θ =30º
0,0
0 1 2 3 4
s / d 0 Fr 0
5 6 7 8
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Diluciones mínimas en el Impacto, θ =45º
0,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
s / d0 Fr0
Diluciones mínimas en el Impacto, θ =60º
0 1 2 3 4 5 6 7 8
s / d 0 Fr 0
0,
032(
60
)
b,
m
b, m '
; Altura máxima del borde superior de un chorro con respecto a la boca de descarga, ya sea aislado o en un
d 0Fr0
tramo difusor, en un medio en reposo
P2F8
P2F10
P2F16
P2F20
P2F20*
P2F24
P2F30
P2F30*
P0F10
P0F10*
P0F20
P0F20*
P0F30
P5F10
P5F30
Ajuse
P2F10
P2F16
P2F20
P2F30
P0F10*
P0F20*
P5F10
P5F30
P5F20
Ajuste
P2F8
P2F10
P2F16
P2F20
P2F24
P2F30
P5F30
Ajuste
S U/ Fr0
SU / Fr0
SU / Fr0
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
11
Diluciones mínimas en Última sección de campo cercano, θ =30º
0,0
0 1 2 3 4
s / d 0 Fr 0
5 6 7 8
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Diluciones mínimas en Última sección de campo cercano, θ =45º
0 1 2 3 4 5 6 7 8
s / d 0 Fr 0
Diluciones mínimas en Última sección de campo cercano,θ =60º
0,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
s / d0 Fr 0
P2F8
P2F10
P2F10*
P2F16
P2F20
P2F20*
P2F24
P2F30
P2F30*
P0F10
P0F20
P0F20*
P0F30
P5F10
P5F30
Ajuste
P2F10
P2F16
P2F20
P2F30
P0F10*
P0F20*
P5F10
P5F30
P5F20
Ajuste
P2F8
P2F10
P2F16
P2F20
P2F24
P2F30
P5F30
Ajuste

Ángulo vertical de inclinación de la boca de descarga en grados sexagesimales
Si el chorro impacta con la superficie, éste se rompe y se esparce lateralmente, pero se reconfigura de nuevo e inicia una trayectoria
descendente. La deformación del chorro con el impacto puede ser leve o severa según que el contacto sea tangencial o franco.
La dilución que se obtiene en el caso del impacto del chorro es una dilución intermedia entre la que se obtendría con un chorro de las
mismas características en un medio con la superficie libre más elevada y la de un chorro con menor cantidad de movimiento cuyo
contorno fuera tangente a la superficie libre en su posición real. Experimentalmente se ha observado que cuando la profundidad de la
columna de agua sólo permite al chorro alcanzar aproximadamente el 75% de la altura que conseguiría con un calado suficiente para
no impactar con la superficie libre, la dilución en el punto de impacto con el fondo se reduce entre un 10 y un 20% en relación con la
dilución que se obtendría en caso de tener profundidad suficiente para seguir toda la trayectoria sin impactar.
7. En un medio receptor dinámico, si las corrientes son débiles su efecto en el campo cercano se reduce a desviar un poco la
trayectoria, pero no influyen mucho en las diluciones conseguidas. Sin embargo, por encima de un cierto valor, el efecto
sobre la dilución alcanzada a lo largo de la trayectoria se hace notar y puede llegar a ser muy importante.
Para un chorro aislado la mejora que supone una corriente perpendicular al plano en el que se realiza el vertido (σ = 90º) para un
rango de velocidades urFro entre 0,5 y 1 (valores que corresponderían en unidades de prototipo a velocidades de la corriente del orden
de 10-20 cm/s) puede calcularse a partir de la siguiente expresión:
' ' Fr u
S
0 1
S I u I u
S r
Siendo;
SI' u
0
: La dilución en el punto de Impacto para un chorro aislado en un medio receptor con una corriente
perpendicular con velocidad u
SI' u0
u
ur
a
u0
: La dilución en el punto de Impacto para ese mismo chorro aislado en un medio receptor sin corriente
: Velocidad relativa del medio receptor respecto a la velocidad del vertido en la descarga
S : Constante determinada experimentalmente
Del mismo modo el efecto de la corriente en la altura máxima del borde superior del chorro se calculará como:
' z' 1uFr
zb, m u b,
m u0
z r
Siendo;
zb, m 'u
velocidad u
b,
m 'u0 0
; La altura máxima del borde superior de un chorro en un medio receptor con una corriente perpendicular con
z ; La altura máxima del borde superior de ese mismo chorro en un medio receptor sin corriente
z ; Constante determinada experimentalmente
12

En la siguiente tabla se detalla el valor de las constantes deducidas experimentalmente para ángulos de inclinación de 30 y 60º (Figura
8):
(SI') u / (SI') u=0
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
urFr 0
0,8 1,0 1,2 1,4
S
z
θ = 30º 0,7 0,3
θ = 60º 0,4 0
γS: θ60
γS: θ30
Figura 8: Datos obtenidos para el efecto de la corriente en el comportamiento del chorro. Izquierda; Dilución en el impacto. Derecha: Altura máxima del
borde superior
No se han realizado ensayos para vertidos con tramos difusores con múltiples bocas de descarga en presencia de corrientes. Además,
hay que mencionar que las expresiones dadas para un chorro aislado no son extrapolables para el conjunto del tramo difusor ya que la
corriente aumenta el efecto de interacción entre los chorros, sobre todo en el caso habitual de tramo difusor situado sobre una
batimétrica (y por tanto, paralelo a la costa), ya que las corrientes más frecuentes son también paralelas a la costa y desviarían los
chorros hasta superponer unos con otros. Por lo tanto, el efecto de la interacción entre los chorros desviados por la corriente debe ser
estudiado experimentalmente.
2.2.4. CAMPAÑAS DE MEDIDAS EN EL ENTORNO DE VERTIDOS OPERATIVOS
(z b,m') u / (z b,m') u=0
Inicialmente se habían planteado 8 campañas de medidas en el entorno de vertidos de plantas desaladoras en funcionamiento que se
distribuirían entre distintos dispositivos de vertido de forma proporcional a la frecuencia del uso actual y esperado de cada uno de ellos.
Como el dispositivo de vertido más eficaz es el emisario submarino, es el utilizado por la mayoría de las grandes desaladoras recientes,
en construcción o en proyecto, por lo que se pensaba dedicar 6 campañas a este tipo de vertidos y 2 a los vertidos en costa.
Sin embargo, la entrada en funcionamiento de varias desaladoras previstas en el programa AGUA, que son las que están diseñadas con
criterios actuales (tramo difusor paralelo a la costa, chorros formando un ángulo con la horizontal de entre 45º y 70º, elevadores con
un solo chorro apuntando en la dirección perpendicular a la costa en sentido descendente, velocidades de salida del efluente elegidas
para conseguir diluciones elevadas, del orden de 30, en el campo cercano) se ha ido demorando. La ejecución de las campañas prevista
en el presente proyecto se fue retrasando a la espera de que empezaran a funcionar pero finalmente no ha sido posible estudiar sus
vertidos. Por otra parte, al coincidir este proyecto con unos años de abundancia de lluvias, las desaladoras existentes funcionaban poco
tiempo o lo hacían con baja producción y de forma intermitente. Todo ello ha dificultado la selección y ejecución de las campañas de
medidas previstas.
De las desaladoras en funcionamiento, existen pocas que viertan mediante emisario submarino y ninguna de ellas responde a los
criterios anteriores. La desaladora de Maspalomas II (Gran Canaria) vertía mediante una única boca situada al final del emisario con
chorro horizontal. En el último año se ha sustituido por una pareja de bocas vertiendo a 20º sobre la horizontal y formando los chorros
13
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
γz: θ60
γz: θ30
0,0
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 urFr 0
0,8 1,0 1,2 1,4

entre sí un ángulo de 90º, con la bisectriz en el sentido de la máxima pendiente. Este dispositivo de vertido, aparte de no responder al
patrón descrito anteriormente, está siendo objeto de un seguimiento intensivo como parte de otro proyecto del Plan Nacional de I+D.
Las desaladoras de la Tordera (Girona) y de Marbella (Málaga) tienen tramo difusor con numerosas bocas pero vierten mediante
chorros verticales. La desaladora de Valdelentisco (Mazarrón, Murcia) vierte con un tramo difusor y con chorros formando un ángulo de
60º con la horizontal, pero está situado perpendicularmente a la costa y tiene elevadores con dos bocas de descarga cada uno
vertiendo perpendicularmente al difusor (y por lo tanto, paralelamente a la costa), cada uno en sentido opuesto al otro.
A la vista de esta situación se decidió disminuir el número total de campañas de 8 a 6 (dedicando los recursos a aumentar el número de
ensayos de laboratorio) y de éstas, hacer solo 3 campañas en vertidos con emisarios, 2 de ellas en el de Valdelentisco (la primera de
ellas en condiciones anómalas de funcionamiento) y 1 en el de la Tordera.
Los resultados de las campañas, que se describen en las memorias científico-técnicas del presente proyecto, no sirven para calibrar con
precisión los resultados de los ensayos de laboratorio porque sus tipologías son distintas de las ensayadas. Además, por sí solos
tampoco permiten deducir conclusiones precisas que sirvan para el diseño de nuevos emisarios salvo que sean muy parecidos a ellos. Sí
han servido para comprobar una vez más las dificultades que entrañan las campañas de medidas en el medio submarino y la
inhomogeneidad de los resultados obtenidos, que dificultan mucho la extracción de conclusiones fiables, sobre todo para el campo
lejano.
No obstante se debe hacer constar que los máximos incrementos relativos de salinidad medidos en el campo cercano en las condiciones
de funcionamiento existentes durante las campañas han sido del 3,7% para la segunda campaña de Valdelentisco y del 6,9% para la de
la Tordera, que corresponden a diluciones de 27,0 y de 14,5 respectivamente
14

2.3. VERTIDOS EN LA COSTA AL NIVEL DEL MAR (PLAYAS, DESEMBOCADURAS)
2.3.1. ESTUDIOS PREVIOS
Aunque existe abundante bibliografía sobre el estudio de los vertidos en la costa, no son muchas las referencias que presentan
resultados experimentales, ya sean de ensayos de laboratorio o de medidas de campo. De estos, la casi totalidad están orientado a la
desembocadura de ríos en embalses en los que la diferencia de densidad viene dada por la diferencia de temperatura o por la carga de
sólidos en suspensión. Por ello muchas veces los rangos de diferencias de densidad y de números de Froude contemplados no incluyen
los correspondientes a los vertidos de una desaladora. Además, se dedica mucha atención a determinar la posición del punto donde el
efluente se hunde desapareciendo de la superficie, probablemente por el problema de la turbidez que resulta visible desde el aire, pero
se atiende poco a la medida de las concentraciones y al cálculo de las diluciones.
Por otra parte, dada la dificultad de trabajar el laboratorio con modelos físicos de gran tamaño, muchos de los ensayos referenciados se
han realizado en canales en los que el vertido ocupaba todo el ancho. Esto obliga al efluente a tener un comportamiento bidimensional,
muy diferente del comportamiento tridimensional que se produce en los vertidos en costa. En estos el efluente se esparce y se hunde
lateralmente desde el mismo momento en que sale de la boca de descarga, lo que produce una dilución que está ausente en el
comportamiento 2D.
Otra dificultad consiste en que a veces se hacen ensayos para determinar parámetros de algún modelo matemático y en la referencia
solo aparece el valor del parámetro ajustado y no los resultados de cada uno de los ensayos.
Y por último, comentar que en casi ningún caso se han medido diluciones por cociente entre concentraciones del efluente y de la capa
hiperdensa que se forma tras el hundimiento. En los pocos casos en los que se dan diluciones se trata de diluciones medias calculadas
por cociente entre el caudal de la capa hiperdensa (obtenido por integración de perfiles de velocidad) y el del vertido.
En la tabla siguiente se presenta un resumen de las características de los modelos y de los rangos de variación de las variables
presentados en las referencias mencionadas.
Año Autores Experimentos
1971 Singh, Shah
1984
1984
1987,
1989
1988
1996
Hauenstein,
Dracos
Akiyama,
Stefan
Johnson y
otros (I), (II),
(III) y (IV)
Johnson,
Stefan
Tsihrintzis,
Alavian
Flujo 2D. Canal de 16m x 0,4 mx 0,51 m. Mide hp (resultados entre 3,0 y 22,5 cm) para [q0 , p, ] =
[{0,5 – 135 cm 2 /s}; {0,005 – 0,02}; {0,0005 – 0,013}]. En el gráfico se ven unos 60 puntos.
Flujo 3D. Tanque de 10m x 6m x 1m. Ensayos con [p, B0, AR0 = B0 /e0] = [{0,044; 0,087; 0,224}, {0,1 – 0,5
m}, {2,0; 25}]; [Q0 , M0 , J0 , Fr0] = [{0,24 – 3,85·10 -3 m 3 /s}, {0,576 – 15,876·10 -4 m 4 /s 2 }, {0,028 – 16,216·10 -4
m 4 /s 3 }, {1,18 – 33,48}]. Se han hecho muchos ensayos pero se presentan pocos resultados
aprovechables. Se han usado los resultados para calibrar las 4 constantes de los modelos
matemáticos.
Flujo 2D. Observa que los resultados de investigaciones anteriores pueden expresarse como hp = (Fp -
2/3 ) q0 2/3 g’ -1/3 con Fp = cte siendo Fp = q0 /(g’0 hp 3 ) 1/2 . Presenta un modelo matemático que calibra
(despreciando la dilución) con los resultados de laboratorio de Singh&Shah y con los de campo de
Ford&Johnson y los de Hebbert&otros.
Flujo 3D con deflectores (cajeros divergentes con ángulo 2). En un tanque de 12,1m x 5,0m x 0,4m
se coloca una playa horizontal (falso fondo) de 10,2m x 3,8m a la que se conecta un canal horizontal
de 1,8m de largo. [e0 , B0] = [{5,1 –10,2 cm},{4,4 – 70 cm}]. Para AR > 2, > 30º y Fr0 > 2 el flujo se
separa siempre de ambos cajeros formando un chorro libre.
Para flujo con una o dos separaciones se obtiene mediante las fórmulas 15 o 16 del artículo 3: xp / B0
=0,52 Fr0 2 ; xp / A0 1/2 = 0,52 Fr0 2 (B0 / e0) 1/2 para Fr0 entre 1,3 y 3,8. Notar que xp se adimensionaliza
con B0 mientras que Fro se hace con e0 .
Se presenta la tabla completa con datos y resultados de los 37 experimentos. [e0 , B0,, Q0 , Fr0 , Re0 , ]
= [{9,12 – 9,60 cm}, {4,38; 16,89 cm}, {0,534 – 2,29 l/s}, {1,67 – 21,0}, {9 500 – 11 800}, {3; 10; 20; 45; 90}].
Las mediciones de perfiles de velocidad permiten calcular la dilución media en la sección transversal
tras el hundimiento.
Es el informe sobre los ensayos que se describen en Johnson y otros (III) y (IV).
Flujo 3D. Canal de 3,0m x 1,5m x 1,5m. Sal disuelta. [e0 , B0,, p, U0 , g’0 ] = [0,5 cm; {0,5; 2,0; 10 cm},
{3,5%; 8,7%; 17,6%; 26,8%}, {0,92 – 125,2 cm/s}, {3,14 – 14,42 cm/s 2 }].
[Q0 , Fr0 , Re0 ] = [{4,6 – 31,3 cm 3 /s}, {0,34 – 100}, {38 – 5 217}]. Mide la longitud y la anchura de la
15

1997 Lee, Yu
2000
2000
Arita, Nakai,
Umemoto
Fang, Stefan
(b)
2011 Li, Zhang, Ma
corriente hiperdensa en función del tiempo (régimen transitorio) y usa los datos para ajustar los
coeficientes de unos modelos matemáticos sencillos aplicables a distintas zonas del flujo para calcular
esas mismas variables.
Flujo 2D. Canal de 20m x 0,2m x 0,6 m con p=2%. Los primeros 4 m se usan como “río” para el
vertido. Usa una dispersión de caolín. Las series A y B de experimentos estudian la migración del
punto de hundimiento. La serie C estudia la región de hundimiento y la corriente de densidad. 18
ensayos con [q0, C0] = [{24,23 – 116,07 cm 2 /s}, {0,00210 – 0,01078 cm 3 caolín / cm 3 muestra}]. En cada
ensayo mide perfiles de velocidad y de concentración en dos secciones transversales situadas aguas
abajo del punto de hundimiento a partir de los cuales calcula el espesor, la velocidad media y la
concentración media.
Flujo 3D. Tanque de 6,0m x 2,5m x 0,6m. [e0 , B0,, Fr0 , p] = [4,0 cm; 5,0 cm; {2 – 13}; {2,5%; 10%;
20%}]. Mide la evolución de la distribución trasversal de concentraciones (flóculos de aluminio, defecto
de temperatura) y describe el comportamiento en las sucesivas fases.
Flujo 3D. Modelo matemático de la fase “chorro libre” con muchas gráficas de resultados de cálculo y
con una expresión para calcular Qp/Q0 que los resume: Qp/Q0 = (0,39+0,22 Fr0) / (AR0 cf ) 0,275 válida para
Fr0 entre 3 y 15. Para calibración se presentan datos experimentales de Johnson&Stefan (1988): a)
Resultados de laboratorio con = 0º: [Q(x)/Q0 , Um(x)/U0 , b(x)/B0] para [AR0 , x/B0 ]={[0,5;{36; 70};
[1,8;{7; 27}]}, [Qp/Q0 , xp/B0] para para [AR0 , Fr0 ]={[0,5;{1,8; 2,0; 2,6; 3,7}; [1,8;{1,6; 3,2}]}; b) Resultados
de campo con desconocido: [Qp/Q0 , xp/A0 1/2 ] para [AR0 , Fr0 ]= [38;{3,9; 4,0}]. Las diluciones para los 2
resultados de campo son del orden de 2.
Flujo 2D. Modelo matemático sencillo para el tramo de hundimiento que permite calcular Frp a partir
de una estimación que hace de la longitud de dicho tramo. Han hecho muchos ensayos en un canal
18m x 0,5m x 0,7m con corrientes de turbidez, pero presentan pocos datos y de forma indirecta . Los
desarrollos matemáticos son un poco crípticos.
2.3.2. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL CEDEX
Tanque de oleaje y corrientes
Se trata de un tanque con forma de pentágono irregular con una superficie de unos 270 m 2 . Dentro de él se ha construido un falso
fondo con perfil de pendiente variable: un tramo corto con pendiente del 10% que representa la parte de tierra y donde se coloca el
canal de descarga; un segundo tramo con un perfil de Bruun de ecuación ym(cm) = 0,25 [xm(cm)] 2/3 que, suponiendo una escala Lp /Lm=16
corresponde en prototipo a la ecuación yp(m) = 0,136 [xp(m)] 2/3 , hasta x = 569 cm, donde la pendiente se hace igual al 2%. A partir de
aquí el fondo es un plano inclinado con pendiente del 2% hasta x = 1 400 cm donde se encuentran las paletas para producir oleaje
irregular frontal (figura 9).
16

Figura 9: Ensayo de simulación de un vertido en la playa (abajo izquierda) en el tanque de oleaje y corrientes
Tres bombas sumergibles dispuestas en un lateral del modelo toman agua del fondo y la impulsan a través de unas tuberías que van
por debajo del falso fondo hasta el otro lateral, donde el incremento de nivel fuerza una corriente a través de un paquete de fibras de
coco presionado por dos láminas de acero microperforadas, que sirve para distribuir el caudal homogéneamente por toda la sección
transversal.
Por lo tanto se puede generar simultáneamente oleaje irregular frontal y corrientes paralelas a la costa, cuyos parámetros concretos
hay que calibrar antes de cada ensayo.
Se han realizado los 12 ensayos que aparecen en la tabla siguiente (uno de ellos con dos réplicas para medir en un mayor número de
puntos) en la que también se han incluido los parámetros que caracterizan cada uno de ellos.
Id
ENSAYO
ρ a
(kg/m 3 )
ρ 0
(kg/m 3 )
17
Q 0
(l/min)
1 ETPLPVHws0Twp0C0Q015.6B012e07.5 998,55 1020,90 14,8 12 0,75 - - 0
2 ETPLPVHws0Twp0C0Q047B012e015 998,12 1020,30 46,9 12 1,5 - - 0
3 ETPLPVHws0Twp0C2.5Q015.6B012e07.5_r1 999,00 1021,60 15,6 12 0,75 - - 2,5
4 ETPLPVHws0Twp0C2.5Q015.6B012e07.5_r2 998,84 1021,20 15,6 12 0,75 - - 2,5
5 ETPLPVHws0Twp0C2.5Q047B012e015 999,25 1021,80 46,9 12 1,5 - - 2,5
6 ETPLPVHws0Twp0C3.5Q015.6B012e07.5 999,04 1021,10 15,6 12 0,75 - - 3,5
7 ETPLPVHws0Twp0C3.5Q047B012e015 999,69 1022,30 46,9 12 1,5 - - 3,5
8 ETPLPVHws3.75Twp1.5C0Q015.6B012e07.5 998,55 1020,90 14,75 12 0,75 3,75 1,5 0
9 ETPLPVHws3.75Twp1.5C0Q0Q047B012e015 998,55 1020,90 46,8 12 1,5 3,75 1,5 0
10 ETPLPVHws3.75Twp1.5C2.5Q015.6B012e07.5 998,99 1021,70 15,6 12 0,75 3,75 1,5 2,5
11 ETPLPVHws1.875Twp1.5C2.5Q047B012e015 999,59 1022,20 47 12 1,5 1,875 1,5 2,5
12 ETPLPVHws3.75Twp1.5C2.5Q047B012e015 999,07 1021,50 46,9 12 1,5 3,75 1,5 2,5
13 ETPLPVHws3.75Twp1.5C3.5Q047B012e015 999,33 1021,70 46,9 12 1,5 3,75 1,5 3,5
B 0
(cm)
e 0
(cm)
Hw
(cm)
Tw
(s)
U a
(cm/s)

Canal de oleaje
Los ensayos se han realizado en un canal de 47 metros de largo por 1 m de ancho y por 1.5 m de alto (figura 10).
Figura 10: Ensayo de un vertido en la costa simulado en el canal de oleaje
Dentro del canal se ha construido un fondo con pendiente variable. El vertido se realiza a través de una compuerta en la línea de costa
de anchura B0 y altura e0 . La pendiente del canal es del 10% y su longitud de 300 cm, pero estos valores son irrelevantes porque en
cada ensayo se ponen obstáculos cerca de la compuerta para reducir la velocidad de forma que la sección abierta esté completamente
ocupada por el flujo. El perfil del fondo comienza con un perfil de Bruun igual que el del tanque de oleaje y corrientes con el fin de
facilitar las comparaciones. La diferencia está en que el final de la pendiente uniforme del 2% se produce en x = 2 713 cm, donde el
fondo se hace horizontal hasta la posición de las paletas de oleaje, que se encuentran en x = 3 700 cm.
Se han realizado 17 ensayos cuyos identificadores y características aparecen en la tabla siguiente.
Id ENSAYO
ρ a
(kg/m 3 )
ρ 0
(kg/m 3 )
En todos los ensayos se ha hecho uso de que una pared vertical representa una condición de contorno de flujo transversal nulo, que es
la misma condición que se produce en un plano de simetría del flujo. Por ello los vertidos se han realizado mediante un canal pegado a
un lateral del tanque con anchura y caudal igual a la mitad de los que realmente correspondían a los prototipos que se querían
reproducir. Por ello los valores que aparecen en la tabla son el doble de los que físicamente se han utilizado en las simulaciones.
18
2 x Q 0
(l/min)
1 ECPLPVHws0Twp0Q023.4B06e018 997,14 1019,70 46,80 12,0 1,80 - - -
2 ECPLPVHw s0Tw p0Q 023.4B 06e 05.9 999,84 1022,90 46,74 12,0 0,59 - - -
3 ECPLPVHw s0Tw p0Q 023.4B 06e 09 999,98 1023,20 46,70 12,0 0,90 - - -
4 ECPLPVHws0Twp0Q023.4B06e015 999,86 1023,40 46,80 12,0 1,50 - - -
5 ECPLPVHws0Twp0Q050B06e015 999,65 1022,20 99,80 12,0 1,50 - - -
6 ECPLPVHw s0Tw p0Q 08B 024e 01.2 998,93 1020,70 15,50 48,0 0,12 - - -
7 ECPLPVHws0Twp0Q023.4B024e03.6 998,96 1021,40 46,80 48,0 0,36 - - -
8 ECPLPVHw3.25Tw1.5Q023.4B06e015 999,91 1023,50 46,67 12,0 1,50 3,25 1,50 Regular
9 ECPLPVHw11.25Tw2.5Q023.4B06e015 999,97 1023,70 46,67 12,0 1,50 11,25 2,50 Regular
10 ECPLPVHwmixTwmixQ023.4B06e015 999,86 1022,90 46,67 12,0 1,50 mixto mixto Regular
11 ECPLPVHws1.25Twp1Q023.4B06e015 999,91 1023,40 48,00 12,0 1,50 1,25 1,00 Irregular
12 ECPLPVHws3.75Twp1.5Q023.4B06e015 999,82 1023,20 46,74 12,0 1,50 3,75 1,50 Irregular
13 ECPLPVHws11.25Twp2.5Q023.4B06e015 999,85 1022,90 46,70 12,0 1,50 11,25 2,50 Irregular
14 ECPLPVHws1.25Twp1Q08B024e01.2 998,94 1021,00 15,60 48,0 0,12 1,25 1,00 Irregular
15 ECPLPVHws3.75Twp1.5Q08B024e01.2 998,79 1019,70 15,60 48,0 0,12 3,75 1,50 Irregular
16 ECPLPVHws1.25Twp1Q023.4B024e03.6 999,40 1022,50 46,80 48,0 0,36 1,25 1,00 Irregular
17 ECPLPVHws3.75Twp1.5Q023.4B024e03.6 999,30 1022,40 46,80 48,0 0,36 3,75 1,50 Irregular
2 x B 0
(cm)
e 0
(cm)
Hw
(cm)
Tw
(s)
Tipo de
oleaje

2.3.3. RESUMEN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Tanque de oleaje y corrientes
Para cada ensayo, se presenta el campo tridimensional de concentraciones de efluente en las muestras expresadas en %. A partir de
éstas es muy fácil calcular tanto las diluciones (S = 100 / ) como las salinidades que existirían cuando se vierte un efluente de salinidad
s0 en un medio receptor de salinidad sa
s = sa + (s0 – sa ) /S
El campo de concentraciones se presenta como un conjunto de planos situados a diferentes elevaciones sobre el fondo, generalmente
espaciados 1 cm entre sí, representándose en cada plano la situación del punto de medida, el valor de la concentración y un símbolo
que mediante un código de color y forma representa el rango de concentraciones al que pertenece cada valor medido. Como es lógico,
las concentraciones más elevadas se dan en el fondo, por lo que el plano de concentraciones correspondiente a la elevación cero es el
más interesante desde el punto de vista del diseño (figura 11).
En los ensayos con corriente paralela a la costa, la estructura del campo de concentraciones no es simétrica en cada sección transversal.
Las concentraciones suelen ser mayores junto al borde situado aguas arriba, por lo que el término “eje de la corriente” pierde su
significado. No obstante seguiremos usando ese término para referirnos al lugar geométrico de los puntos de concentración máxima en
cada sección transversal, ya que para el diseño resulta conceptualmente muy importante conocer cuáles son y como van disminuyendo
las concentraciones a lo largo de dicho eje
La determinación precisa del eje de la corriente es muy difícil porque los puntos de toma de la red de muestreo se encuentran a
distancias finitas, generalmente formando parte de unos bastidores en los que se han colocado previamente los tomamuestras. Aunque
se puede modificar ligeramente la posición de los bastidores a la vista del aspecto que muestra (gracias al trazador) la corriente
hiperdensa, no es posible cambiar la posición relativa de los tomamuestras dentro de cada bastidor. A efectos prácticos tomaremos como
puntos representativos del eje de la corriente aquellos puntos de medida que, para cada intervalo de distancias a la boca de descarga,
presenten la máxima concentración de efluente.
En todos los ensayos las concentraciones al principio decrecen rápidamente con la distancia a la boca de descarga y luego se estabilizan
en torno a un valor medio que prácticamente se mantiene constante en toda la longitud del modelo. La figura 12 es un ejemplo.
Desde un punto de vista práctico a efectos del Programa de Vigilancia Ambiental, esto significa que para medir la dilución conseguida en
el campo cercano vale cualquier punto situado en un amplio rango de distancias a la boca de vertido, pero también que deben medirse
las concentraciones en el fondo en numerosos puntos de una sección transversal completa, pudiendo ser ésta recta o aproximadamente
circular con centro en la boca de vertido.
A efectos del diseño, este valor estable representa la condición inicial que hay que considerar al modelizar lo que ocurre en el campo
lejano.
19

12
10
8
6
4
2
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
4.6
10.1
10.9
4.1
11.5
4.6
10.1
6.9
11.2
10.3
0.7
5.9
20
0.4
3.9
6.3 12.1
13.7 5.1
22.6
0
0 2 4 6 8 10 12 14
9.2
11.8
1.6
15.2 6.9
Figura 11: Ejemplos de planos de resultados. Arriba: Mediciones en el fondo: Abajo: Mediciones a 2 cm del fondo. Ensayo
ETPLPVHws3.75Twp1.5C3.5Q047B012e015.
11.9
12.2
11.4
11.3
11.2
10.2
11.5
13.0
7.5 9.7 12.5 14.0
15.2
23.2
% Vertido Residual
0 to 3
3 to 10
10 to 20
20 to 30
30 to 100

Conce ntrac ión de eflue nte en la
muestra (%)
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
ETPLP2H0T0C2.5_Q47_h15_B12
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Distancia al punto de vertido (m)
Figura 12: Ejemplo de evolución de las concentraciones de efluente medidas en el fondo a lo largo del eje de la corriente hiperdensa para vertidos en costa
a nivel del mar.
Se han realizado 12 ensayos para estudiar el efecto de la corriente paralela a la costa, del oleaje frontal (crestas paralelas a la costa) y
de las condiciones de vertido (caudal y sección de descarga). Este número es claramente insuficiente para poder deducir expresiones
para el diseño basadas exclusivamente en los resultados experimentales, incluso aplicando técnicas de Análisis Dimensional, pero sirven
para conocer si la influencia de una variable es grande o pequeña y si es favorable o desfavorable. También podrían usarse para una
primera calibración de modelos matemáticos apropiados.
Los ensayos se han realizado con vertidos de 15,6 y 47,0 l/min a través de una compuerta de 12 cm de ancho en todos los casos y de
7,5 y 15 mm respectivamente de altura. Como la escala del modelo es 1:16, en prototipo estas medidas corresponden a un ancho de
compuerta de 1,92 m y unas alturas de 0,12 m para un caudal de 0,266 m 3 /s y de 0,24 m para un caudal de 0,802 m 3 /s.
De los valores calculados de las diluciones correspondientes a las concentraciones estables medidas en el fondo para el conjunto de los
ensayos realizados en el tanque de oleaje y corrientes (que se presentan en el gráfico de la figura 13) se pueden extraer algunas
conclusiones:
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
Diluciones en el tanque OC
0 0,5 1 1,5 2
Ua (cm/s)
2,5 3 3,5 4
Q=15,6 Q=47 Q=47 + Hw3,75 Q47 + Hw1,875 Q=15,6 + Hw3,75
Figura 13: Diluciones medidas en el fondo para diferentes ensayos de simulación de vertidos en costa a nivel del mar bajo distintas condiciones de oleaje y
corriente
21

La presencia de una corriente moderada (2,5 cm/s en el modelo, 10 cm/s en prototipo 1 ) incrementa la dilución respecto al
caso en que no existen ni corrientes ni oleaje, pero corrientes mayores (3,5 cm/s en el modelo, 14 cm/s en prototipo 2 ) ya no
contribuyen a aumentar la dilución, pudiendo incluso disminuirla.
En contra de lo que parece intuitivo, la presencia de un oleaje moderado (60 cm de altura significante y 6 s de período de
pico en prototipo 3 ) en ausencia de corrientes no mejora la dilución e incluso puede empeorarla sensiblemente.
El efecto combinado de corrientes y oleaje produce las máximas diluciones.
Un aumento de la energía cinética del vertido (mayor número de Froude) produce un incremento de la dilución (en los
ensayos en canal no se detecta), pero este efecto se desvanece en presencia de oleaje.
Dentro del rango de variación de estas variables ambientales y de vertido, las diluciones alcanzadas se encuentran entre 4 y
8,5. Estos valores se encuentran en un rango de distancias al punto de vertido de entre 3 y 14 m, que corresponden en
prototipo a un rango de entre 48 y 224 m.
Canal de oleaje
Las diluciones medidas en tres secciones situadas en la zona de tranquilización de las turbulencias, al final de ésta y en el campo lejano
son prácticamente idénticas en todos los ensayos, por lo que se trabajará con los valores medios de estas tres secciones. En la sección
de hundimiento son algo menores.
Como la anchura Bc del canal de oleaje donde se realizan los ensayos es bastante mayor que la anchura Bo del canal de descarga, el
comportamiento del vertido es pseudo 3D, es decir, es 3D en un primer tramo hasta que la capa hiperdensa ocupa todo el canal;
después hay una zona de transición hasta que se homogeneizan las concentraciones en todo el ancho y finalmente se comporta como
2D. El efecto del confinamiento lateral sobre las diluciones alcanzadas puede verse en la figura 14 en la que se han incluido para
comparación además de resultados de ensayos realizados en el CEDEX, otros resultados de ensayos 2D tomados de la bibliografía. Se
observa a simple vista que el efecto del confinamiento lateral es muy importante, sobre todo para valores del cociente Bo / B0
inferiores a 15. Esto significa que si se usan datos experimentales de ensayos en canal para el diseño de los vertidos en costa, se está
adoptando un margen de seguridad considerable.
1
Esta intensidad tiene una probabilidad de no excedencia del 56% en los registros de un correntímetro situado en las proximidades
del puerto de Motril (Granada).
2
Probabilidad de no excedencia del 75% en el mismo correntímetro.
3
Esta altura de ola tiene una probabilidad de no excedencia del 70% en los registros de una boya de medida de oleaje situada
frente al puerto de Valencia.
22

Diluciones
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
Efecto del confinamiento lateral
0,00
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0
Bc / B0
Q47+B12+e1,5: Fre7,5 Q50+B24+g'0,17 Q37+B4,5+e9,3: Fre2,10
Q47+B48+e0,36:Fre16,2 Q15,6+B48+e0,12:Fre28,3
Figura 14: Efecto del confinamiento lateral sobre las diluciones alcanzadas en vertidos en costa a nivel del mar.
Oleajes débiles y moderados no aumentan la dilución (figura 15). En la sección de hundimiento, de los 6 ensayos realizados con estos
oleajes, en 5 la dilución es prácticamente la misma que sin oleaje y en 1 es claramente inferior. En las demás secciones, de los 6
ensayos, en 4 la dilución no se altera, en 1 disminuye y en otro aumenta. Un oleaje extremo aumenta la dilución sensiblemente
En contra de lo que se desprende de la literatura, no se ha encontrado correlación de las diluciones con el número de Froude para el
rango de valores de las variables con los que se han realizado los ensayos en el CEDEX. En la figura 16 se representan las diluciones al
final del campo cercano en función de distintas definiciones del número de Froude para un conjunto de ensayos en las que solo se varía
el espesor inicial y, en un caso, el caudal de vertido. Puede observarse que las pequeñas diferencias entre las diluciones medidas (todas
están entre 3,45 y 4,25) no están correlacionadas con ninguno de ellos. Esto concuerda con los resultados presentados en Johnson y
otros (1989) en los que para valores de Fre entre 2,0 y 3,8 las diluciones medidas están en el rango 3,5 – 4,3 para Bc / B0 = 114, en el
rango 2,9 – 3.4 para Bc / B0 = 82 y en el rango 1,8 – 2,0 para Bc / B0 = 21
Las definiciones de números de Froude utilizadas se diferencian en la variable lineal que se introduce en la fórmula habitual: el espesor
inicial e0 para Fre , la raíz cuadrada del área A0 de la sección de descarga para FrA y la anchura B0 del canal de descarga para FrB
23

Diluciones
Diluciones
8
7
6
5
4
3
2
1
Efecto del oleaje sobre la dilución en la sección de hundimiento
0
0,000 2,000 4,000 6,000
Altura de ola (cm)
8,000 10,000 12,000
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
Q23,4+B6+e1,5 Q23,4+B24+e0,36 Q8+B24+e0,12
Efecto del oleaje sobre la dilución al final del campo cercano
0,00
0,000 2,000 4,000 6,000
Altura de ola (cm)
8,000 10,000 12,000
Q23,4+B6+e1,5 Q23,4+B24+e0,36 Q8+B24+e0,12 Q23,4+B6+e1,5+Oregular
Figura15: Efecto del oleaje sobre la dilución de vertidos en línea de costa al nivel del mar. Arriba: sección de hundimiento. Abajo: sección última del campo
cercano. Ensayos pseudo 3D en canal de oleaje (Bc /B0 = 16,7)
24

Diluciones
Diluciones
Diluciones
4,50
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
4,50
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
Diluciones en función de Fr A
0,00
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0
Número de Froude basado en la raiz cuadrada del área (Fr A)
Diluciones en función de Fr e
0,00
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Número de Froude basado en el espesor (Fr e)
4,50
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
Diluciones en función de Fr B
0,00
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
Número de Froude basado en la anchura (Fr B)
Figura 16: Ausencia de correlación entre las diluciones alcanzadas y las diferentes definiciones del número de Froude para rangos amplios de valores de
estos
25

2.3.4. CAMPAÑAS DE MEDIDAS.
De las desaladoras con vertidos en costa que estaban en funcionamiento y que se comprometían a mantener condiciones de producción
constantes durante la realización de la campaña y los tres días anteriores se eligieron: a) el vertido conjunto de las desaladoras de
Alicante I y II, b) los vertidos muy próximos de las desaladoras de Las Palmas III y IV, y c) el vertido de la desaladora de Santa Cruz de
Tenerife. No obstante, ninguno de estos vertidos responde exactamente al esquema de vertido en playa que ha sido objeto de los
ensayos. El primero es un vertido en playa pero que se realiza en una pequeña ensenada con una playa estrecha, pero en dirección
paralela a la costa, lo que impide la incorporación de agua para diluir por uno de los lados (figura 17). Los otros dos vertidos se realizan
sobre escollera de forma que el efluente se introduce por los huecos de ésta. El resultado es que, con mar en calma, la escollera
amortigua la energía cinética del efluente y éste sale por el píe de la escollara con una dilución inferior a la que se hubiera obtenido
vertiendo en una playa, y con oleaje, las fuertes turbulencias generadas en el interior de los huecos incentiva la mezcla, con lo cual las
diluciones obtenida son superiores a las de los vertidos en playa. El vertido de Las Palmas se realiza en una costa abierta directamente
expuesta al oleaje y el de Santa Cruz de Tenerife en el interior de una dársena portuaria, protegido por tanto del oleaje.
Figura 17: Vertido de las desaladoras de Alicante I y II con una predilución de 4:1
Las diluciones medidas en las campañas realizadas en el marco del presente proyecto al comienzo del campo lejano fueron del orden de
10 en el vertido de las desaladoras de Las Palmas III y IV (campaña realizada con oleaje moderado a intenso), del orden de 5 en el
vertido de la desaladora de Santa Cruz de Tenerife I y del orden de 3 en el de Alicante I y II.
2.3.5. RECOMENDACIONES.
Al no haberse encontrado que los datos experimentales ni de la literatura ni de los ensayos y campañas de medidas realizados por el
CEDEX permitan relacionar cuantitativamente la dilución conseguida con el número de Froude (en contra de lo que proponen diversos
autores) y ante la escasez de ensayos realizados con corrientes y/o oleaje, lo único que se puede recomendar con cierto margen de
seguridad es que en el diseño de vertidos en costa abierta sobre una playa o desembocadura y en dirección perpendicular a ésta se
adopten los siguientes valores de dilución en el fondo en la última sección del campo cercano:
Medio sin corriente y sin oleaje o con oleaje débil o moderado: SU = 4,0
Medio sin oleaje y con corriente débil o moderada: SU = 5,5
26

Medio con oleaje débil o moderado y con corriente débil: SU = 7,0
Medio con oleaje y con corriente moderados: SU = 8,0
La distancia Xu desde la descarga hasta la última sección del campo cercano varió en los ensayos del tanque de oleaje entre 3 y 5 m
(correspondientes a 48 y 80 m en prototipo) sin seguir ningún patrón de correlación con las variables del modelo. Se recomienda por
tanto que se tome como valor en prototipo en todos los casos en los que no se haga predilución el mayor de ellos, es decir Xu = 80
m.
La adopción de estos valores para vertidos en costa abierta sobre una playa o desembocadura y en dirección perpendicular a ésta
puede ser suficiente cuando combinados con los cálculos para el campo lejano se obtenga que la dilución en las zonas a proteger es
bastante mayor que la necesaria para cumplir los criterios de calidad. Si el resultado da una dilución próxima a la necesaria (aunque sea
superior) o si el vertido no se corresponde con las condiciones mencionadas (que son las que se han ensayado), se recomienda que se
utilicen herramientas más afinadas, por ejemplo, un modelo físico a escala reducida específico para el campo cercano del vertido en
cuestión y/o un modelo numérico suficientemente contrastado para este tipo de vertidos en el campo lejano con una información
fidedigna sobre la batimetría y la naturaleza de los fondos.
27

2.4. CAMPO LEJANO
Cualquiera que sea la forma en la que se realiza el vertido, tras la fase de intensa turbulencia generada por la descarga llega otra de
tranquilización en la que las diferentes masas de agua, cada una con su correspondiente grado de dilución, se van colocando sobre el
fondo de forma estratificada según su densidad. El perfil vertical de salinidades de la capa hiperdensa que se forma depende
fundamentalmente de la distribución estadística de tamaños y salinidades de dichas masas de agua, que está determinada por las
características y condiciones del vertido. A partir de este momento empieza la fase de campo lejano en la que se produce una lenta
pero persistente incorporación de agua del medio a través de la interfaz. Aquí se pueden distinguir dos zonas: en la primera, la
incorporación de agua va modificando el perfil de salinidades, reduciendo éstas primero en las proximidades de la interfaz y más tarde
en el resto, razón por la que la salinidad en el fondo se mantiene prácticamente constante. El perfil de velocidades también se va
modificando para adaptarse al equilibrio de fuerzas derivado de la gravitación reducida, la pendiente, el perfil de densidades, el
rozamiento con el fondo y eventualmente la acción de la corriente. Después los perfiles de salinidad y velocidad adquieren una forma
que se mantiene todo el tiempo (perfil autosemejante), en el que lo único que varía es la escala de espesores y la de velocidades o
salinidades según corresponda. Llamaremos a la primera zona de adaptación al flujo con perfiles autosemejantes (ZA) y a la segunda
zona de flujo estable con perfiles autosemejantes (ZE) (figura 18).
Figura 18: Esquema de definición de las zonas de adaptación al flujo con perfiles autosemejantes (ZA) y de flujo estable con perfiles autosemejantes (ZE)
Existen bastantes datos experimentales sobre la incorporación de agua a la corriente hiperdensa en el campo lejano. En Pedersen
(1980) (reproducido en p. 179 de Pedersen, 1986) se presentan resultados experimentales de seis fuentes donde se comprueba que
para régimen subcrítico (que se da siempre para pendientes inferiores a 0,01 y con frecuencia para valores de hasta 0,07) existe una
buena correlación entre el coeficiente E de incorporación de agua desde la capa superior a la corriente hiperdensa y la pendiente
media del fondo p :
expresión que puede usarse para una primera aproximación.
E = 0,072 p
Por otra parte, algunos de estos datos experimentales y bastantes datos nuevos se presentan en Parker y otros (1987) donde se
encuentra una correlación entre E y el número de Froude de la corriente Fr válida para cualquier pendiente, tanto para régimen
subcrítico como supercrítico:
que para Fr < 3 puede aproximarse mediante la expresión:
E = 0,075 (1 + 718 Fr -4,8 ) -0,5
E = 0,0028 Fr 2,4
Para la ZA los resultados experimentales realizados en el CEDEX indican en todos los casos que las salinidades en el fondo se
mantienen prácticamente constantes aunque la incorporación de agua va haciendo que la salinidad media de la capa hiperdensa vaya
disminuyendo. El ancho de la corriente hiperdensa en esta zona crece a una velocidad que va disminuyendo con la distancia al punto de
vertido (figura 19).
28

Figura 19: Capa hiperdensa formada por un vertido de salmuera a través de un canal en la línea de playa sin oleaje ni corrientes en el medio receptor
Para la ZE puede hacerse la hipótesis conservadora de que el ancho BUZA de la corriente hiperdensa se mantiene constante e igual a la
que existe en la última sección de la ZA y entonces puede aplicarse la teoría del flujo normal bidimensional. De acuerdo con esta teoría,
a lo largo de la trayectoria el número de Froude se mantiene constante y, por lo tanto, también E. Si suponemos perfiles verticales
homogéneos de concentraciones (en este caso, de exceso de salinidad respecto a la del medio receptor), el número de Froude puede
calcularse mediante
Frn 2 = (p – En/2) / (En + CD)
siendo CD la suma de los coeficientes de fricción de la corriente hiperdensa con el fondo y con la capa de agua superior
Tenemos pues dos ecuaciones que permiten calcular En y Frn una vez conocidos los parámetros p y CD . En las tablas siguientes se
exponen los resultados del cálculo para un conjunto de valores de p y CD .
Coeficiente de fricción C D
VALORES DEL COEFICIENTE E DE INCORPORACIÓN DE AGUA
Pendiente media del fondo p
0,005 0,010 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140
0,001 0,0027 0,0044 0,0068 0,0105 0,0133 0,0158 0,0179 0,0199 0,0216
0,002 0,0024 0,0040 0,0064 0,0100 0,0129 0,0153 0,0174 0,0194 0,0212
0,004 0,0018 0,0033 0,0056 0,0091 0,0119 0,0144 0,0165 0,0184 0,0202
0,006 0,0014 0,0027 0,0027 0,0083 0,0111 0,0135 0,0156 0,0175 0,0193
0,008 0,0012 0,0023 0,0043 0,0076 0,0103 0,0127 0,0148 0,0167 0,0185
0,010 0,0010 0,0020 0,0038 0,0070 0,0096 0,0119 0,0140 0,0159 0,0176
0,012 0,00082 0,0017 0,0034 0,0027 0,0090 0,0112 0,0132 0,0151 0,0168
0,014 0,00070 0,0015 0,0031 0,0059 0,0083 0,0105 0,0125 0,0144 0,0161
29

Coeficiente de fricción C D
0,005 0,010 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140
0,001 0,99 1,21 1,45 1,74 1,93 2,07 2,19 2,30 2,39
0,002 0,93 1,16 1,41 1,71 1,90 2,05 2,17 2,27 2,36
0,004 0,84 1,07 1,34 1,64 1,84 1,99 2,12 2,22 2,32
0,006 0,76 0,99 1,46 1,58 1,78 1,94 2,07 2,17 2,27
0,008 0,69 0,93 1,20 1,52 1,73 1,89 2,02 2,13 2,22
0,010 0,64 0,87 1,14 1,47 1,68 1,84 1,97 2,08 2,18
0,012 0,60 0,82 1,09 1,62 1,63 1,79 1,92 2,04 2,14
0,014 0,56 0,77 1,04 1,36 1,58 1,74 1,88 1,99 2,09
En un flujo normal bidimensional también se mantiene constante la velocidad Un de la corriente y puede calcularse mediante
Un =(g’0 Q0 Frn 2 / BUZA ) 1/3
El espesor en de la corriente hiperdensa crece linealmente con la distancia x a la sección UZA (última de la ZA), que es la que separa la
ZA de la ZE 4 :
en(x) = enUZA + En x
donde enUZA es el espesor en dicha sección, que a su vez puede calcularse mediante:
enUZA = Q0 SU / (BUZA Un)
siendo SU la dilución alcanzada en la última sección del campo cercano, que debe calcularse mediante la metodología aplicable al
campo cercano. Al usar esta expresión estamos incorporando otro margen de seguridad consistente en despreciar el incremento de
dilución media que se produce en la ZA, aunque es cierto que la concentración en el fondo no varía a lo largo de dicha zona.
La dilución en cualquier otra sección se obtiene mediante
S(x) = en(x) BUZA Un / Q0 = SU en(x) / enUZA = SU (1 + En x / enUZA )
No es posible extraer conclusiones sobre el ancho BUZA midiendo salinidades en el entorno de vertidos en funcionamiento. En todas las
campañas realizadas por el CEDEX se ha encontrado que el ancho medido en dirección paralela a la costa de la zona con salinidades en
el fondo por encima de la salinidad del medio es mucho mayor que cualquier predicción razonable. Esto se debe seguramente a la
combinación de dos hechos: a) la variabilidad natural de las corrientes que hace que la situación de la corriente hiperdensa oscile
mucho a lo largo de días y semanas y b) las irregularidades del fondo con presencia de depresiones que atrapan parte de la mezcla
cuando la corriente pasa por ellas y que tardan mucho tiempo en evacuarse debido a su densidad mayor que la del medio. Por lo tanto
las mediciones del ancho B deben hacerse mediante ensayos en laboratorio o inyectando en el efluente un trazador que no esté
presente en el medio y midiendo durante las primeras horas después de comenzar el marcado.
Basado en un limitado número de ensayos realizados en el CEDEX con pendiente del 2% se recomienda usar las siguientes expresiones
para estimar el ancho:
Vertido a través de un tramo difusor situado sobre una batimétrica:
VALORES DEL NÚMERO DE FROUDE Fr
Pendiente media del fondo p
BU = Ltd + 25 (Q0/n) 2/5 g’0 -1/5 SU 3/5
siendo Ltd la longitud del tramo difusor activo (distancia entre las dos bocas extremas que estén en funcionamiento) y n el número de
bocas activas.
4 En realidad puede tomarse como sección inicial cualquier sección situada en la ZE.
30

Vertido en la costa a nivel del mar:
La longitud de la ZA (LZA ) se puede estimar mediante la expresión:
BU = 50 Q0 2/5 g’0 -1/5 SU 3/5
LZA = enZA / E
basada en suponer que la velocidad de erosión (alteración) del perfil de concentraciones es igual a la velocidad de crecimiento del
espesor de la capa hiperdensa y que la ZA se termina cuando dicha erosión llega hasta el fondo.
Los resultados de esta sencilla formulación para el cálculo de las diluciones en el campo lejano dependen de forma crítica de los valores
adoptados para p y CD , por lo deben justificarse adecuadamente.
Como esta formulación incorpora ya algunos márgenes de seguridad (ancho constante, no incremento de dilución en la ZA, no
incremento de E por efecto del oleaje o de las corrientes) se considera apropiado para el diseño de vertidos en los que las zonas a
proteger se encuentren en el campo lejano en la dirección de la línea de máxima pendiente.
Incluso podría utilizarse como primera aproximación para el caso en el que dichas zonas se encuentren fuera de la línea de máxima
pendiente suponiendo una trayectoria rectilínea desde el punto de vertido hasta la zona considerada. En este caso se tomaría como
velocidad de la corriente hiperdensa la de la resultante de la composición vectorial de una velocidad perpendicular a la costa en sentido
descendente igual a la obtenida con la expresión de flujo normal y la velocidad del medio receptor necesaria para que la dirección
resultante sea la que lleva a la zona a proteger, siempre que la intensidad de esta velocidad del medio sea inferior al percentil de no
excedencia del 95% en esa zona.
Los ensayos realizados en el tanque de oleaje y corrientes del CEDEX para vertidos tanto sumergidos como en costa demuestran que
cuando hay corrientes el ancho de la capa hiperdensa aumenta de una forma considerable, y aún más si además hay oleaje (ver figura
9). Sin embargo, el oleaje sin corrientes no modifica la anchura de la corriente en el campo lejano de forma apreciable, aunque sí lo
hace en el campo cercano (ver figura 20 y comparar con figura 19). Por lo tanto, cuando hay corrientes la hipótesis de ancho constante
supone un margen de seguridad aún mayor que cuando no las hay.
Figura 20: Capa hiperdensa formada por un vertido de salmuera a través de un canal en la línea de playa con oleaje y sin corrientes en el medio receptor
31

2.5. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN.
En relación con la ejecución de ensayos mediante técnicas convencionales, se propone:
1. Estudiar el efecto de longitud finita del tramo difusor de los emisarios submarinos sobre las diluciones en el campo cercano y
en el campo lejano próximo: Los resultados de la investigación experimental llevada a cabo en el curso del presente proyecto han
permitido establecer el efecto de reducción de dilución que se produce en el campo cercano y en el campo lejano próximo para
tramos difusores de longitud infinita. Estos resultados pueden aplicarse a los casos reales en los que la longitud del difusor es
finita porque se está del lado de la seguridad, pero podría ser que el margen de seguridad resulte excesivo, sobre todo en
difusores con pocas bocas de descarga. Un diseño más ajustado a la realidad permitiría que el difusor fuera más corto o que los
chorros salieran con menor velocidad, lo que supone menor carga hidráulica y menor consumo eléctrico en el bombeo.
2. Estudiar el efecto de la existencia de corrientes horizontales de cualquier dirección sobre la situación de la corriente
hiperdensa y sobre las diluciones obtenidas en el campo cercano y en el campo lejano próximo por emisarios con tramo difusor de
longitud finita: Los resultados de la investigación experimental llevada a cabo en el curso del presente proyecto han permitido
comprobar que el efecto de las corrientes sobre la situación de la corriente hiperdensa y las diluciones obtenidas es importante,
pero el número de ensayos realizados no ha sido suficiente para establecer fórmulas de cálculo que permitan tener en cuenta
todas las variables a la hora de diseñar un vertido mediante emisario submarino.
3. Estudiar mediante las técnicas PIV y PLIF de los campos de velocidades y salinidades producidos en el campo cercano para
un chorro individual sumergido en presencia de una corriente perpendicular a su plano original: Durante el presente proyecto se
ha conseguido poner a punto en un canal de corrientes y oleaje del CEDEX una instalación en la que se pueden determinar
campos de velocidades mediante la técnica PIV (marcado del flujo con partículas que se hacen visibles con un haz de laser que
ilumina un plano del flujo, toma de vídeo sincronizado con el laser y análisis de imágenes para determinar desplazamientos de
grupos de partículas) y de campos de concentraciones mediante la técnica PLIF (marcado del flujo con un trazador fluorescente
disuelto, excitación con un haz laser que ilumina un plano del flujo, toma de vídeo sincronizado y análisis de imágenes para
determinar concentraciones de trazador por intensidades de brillo). Lo que se propone es utilizar esta instalación para estudiar el
comportamiento de un chorro individual en presencia de una corriente perpendicular a su plano original estudiando diferentes
planos de flujo paralelos a las corrientes para un conjunto de combinaciones de condiciones de vertido y de intensidades de
corriente.
2.6. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
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34

3. INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL CON TÉCNICAS ÓPTICAS LÁSER
Esta investigación experimental se ha realizado en el Instituto de Hidráulica Ambiental.
3.1. OBJETIVOS Y SELECCIÓN DE ENSAYOS.
Como investigación complementaria al estudio experimental mediante técnicas convencionales, se han realizado en el Instituto de
Hidráulica Ambiental ensayos experimentales mediante técnicas ópticas no intrusivas, combinando la técnica LIF (Laser Induced
Fluorescence), para la medición de la geometría y el campo de concentraciones del efluente vertido, con la técnica PIV (Particle
Image Velocimetry), para la caracterización del campo de velocidades del flujo.
Los principales objetivos de este estudio experimental es analizar en profundidad los procesos turbulentos que se desarrollan en la regió
de campo cercano de un vertido mediante chorro sumergido, y generar una base de datos experimentales de detalle y rigor para la
calibración y validación de modelos numéricos de simulación del fenómeno. Para la ejecución de estos ensayos se ha construido un
tanque de 3mx3mx1m, con dos laterales fabricados en cristal, uno para la entrada de la luz del láser y el otro para la grabación de las
imágenes mediante las cámaras.
La Figura 4 muestra varias fotografías del tanque de ensayo, del láser y de las cámaras PIV y LIF.
Figura 4. Fotografías del equipo utilizado en los ensayos con técnicas ópticas láser realizado en el Instituto de Hidráulica Ambiental.
La configuración de ensayo se ha restringido a un vertido sumergido mediante chorro individual, con valores realistas de diseño tanto
de características del efluente como de diseño del vertido, para el cual se ha variado: el caudal de vertido (y, con ello, el Número de
Froude densimétrico); la inclinación de la descarga (entre 15º y 75º) y la pendiente del fondo (fondo plano; pendiente 2% y 4%). El
medio receptor está en reposo.
Los resultados obtenidos han sido analizados y también validados con ensayos análogos publicados en la literatura científica.
Los criterios considerados para el diseño de los ensayos con técnicas ópticas han sido:
- Ensayos centrados en vertido mediante chorro sumergido inclinado respecto al fondo (equivalente a uno de los chorros de un
tramo difusor diseñado de modo que no existe interacción entre los chorros durante su trayectoria). Medio receptor en
reposo y de densidad homogénea.
- El estudio se centra en la región del campo cercano, incluyendo la trayectoria del chorro y, en algunos casos, la capa de
esparcimiento lateral (spreading layer) hasta el colapso de la turbulencia y comienzo del campo lejano.
- Se mantiene la diferencia de salinidad (aprox. 30-31psu) y densidad (aprox. 23-23.5Kg/m³) que existe entre la salmuera (de
una planta desaladora de osmosis inversa con tasa de conversión del 45%) y el agua de Mar del Mediterráneo, pero como
fluido receptor se utiliza agua dulce y como efluente, salmuera de densidad de salinidad aproximada 30-31psu. Se ha
utilizado sal común NaCl, para la fabricación del efluente salmuera.
- Se han seleccionado valores realistas y recomendados de parámetros de entrada del prototipo y se han escalado (aplicando
semejanza geométrica y cinemática). Considerando un flujo turbulento completamente desarrollado, la semejanza dinámica
36

se garantiza en este caso igualando el número de Froude densimétrico en el prototipo y ensayo. La tabla 5 muestra los
valores de prototipo ensayados:
VALORES DEL PROTOTIPO ENSAYADOS
Diferencia de
salinidad con fluido
receptor
Diferencia de
densidad con
fluido receptor
Diámetro
boquilla
Nº de Froude
densimétrico
37
Velocidad salida
del chorro
Inclinación en la
descarga
Aprox: 30-31psu Aprox: 23 0.15 - 0.2m 10 - 35 2 - 7.5 15º - 75º 0.75 – 1
Tabla 5. Valores de prototipo ensayados en el IH Cantabria
Altura de
boquilla sobre
fondo
- Para garantizar flujo turbulento completamente desarrollado el Nº de Reynolds inicial del chorro es superior a 2000 en todos
los casos [1].
- Se han realizado diversas previas para garantizar que el caudal de vertido en los ensayo es tal que no se produce la
contaminación del tanque durante el tiempo de ensayo.
- Se ha trabajado a una escala 1:40, por ser la idónea para nuestro tamaño de tanque, criterios, tiempo de contaminación del
tanque y tamaño máximo de ventana.
Los ensayos se han divido en tres grupos, cuyo objeto de estudio es estudiar en profundidad el comportamiento del flujo y generar
bases de datos experimentales, para casos en los que se varían los parámetros:
o Grupo 1. Modificación del Nº de Froude densimétrico (10-35) en chorros inclinados 60º.
o Grupo 2. Modificación del ángulo de descarga (15º - 75º) en chorros con número de Froude entre 20 y 30.
o Grupo 3. Modificación de la pendiente del fondo (0º, 2º, 4º) en chorros inclinados (30º, 45º y 60º), con Nº de
Froude entre 20 y 25.
La Tabla 6 muestra los valores aproximados de los casos ensayados; los valores de densidad, y de las variables dependientes de la
densidad (Nº de Froude, Nº de Reynolds) varían un poco en la realidad, debido a las distintas temperaturas de los fluidos en cada caso
(dado que tanto el tanque como el efluente se encuentran a temperatura ambiente):

CASO ANGULO
Pendiente del
fondo
Diámetro
ensayo (m)
Escala
Diámetro
prototipo (m)
Diferencia
Densidad
Tabla 6. Tabla de datos de entrada de los ensayos PIV-LIF realizados en el Instituto de Hidráulica Ambiental.
Nº Froude
densimétrico
38
velocidad
descarga
prototipo (m/s)
velocidad
descarga
ensayo
(m/s)
Caudal
descarga
ensayo
(l/min)
Altura
elevador
prototipo
(m)
Altura
elevador
ensayo
(cm)
1 60º 0 0.005 40 0.2 23 10 2.09 0.33 0.39 1.00 2.5 1651
1A 60º 0 0.005 40 0.2 23 15 3.13 0.50 0.58 1.00 2.5 2477
2 60º 0 0.005 40 0.2 23 20 4.18 0.66 0.78 1.00 2.5 3302
2A 60º 0 0.005 40 0.2 23 23 4.80 0.76 0.89 1.00 2.5 3798
3 60º 0 0.005 40 0.2 23 25 5.22 0.83 0.97 1.00 2.5 4128
4 60º 0 0.005 40 0.2 23 30 6.27 0.99 1.17 1.00 2.5 4953
5 60º 0 0.005 40 0.2 23 35 7.31 1.16 1.36 1.00 2.5 5779
6 15º 0 0.005 40 0.2 23 23 4.80 0.76 0.89 1.20 3.0 3798
6A 15º 0 0.005 40 0.2 23 30 6.27 0.99 1.17 1.20 3.0 4953
7 30º 0 0.005 40 0.2 23 23 4.80 0.76 0.89 1.00 2.5 3798
7A 30º 0 0.005 40 0.2 23 25 5.22 0.83 0.97 1.00 2.5 4128
8 45º 0 0.005 40 0.2 23 23 4.80 0.76 0.89 1.00 2.5 3798
8A 45º 0 0.005 40 0.2 23 25 5.22 0.83 0.97 1.00 2.5 4128
60º caso 3
9 75º 0 0.005 40 0.2 23 23 4.80 0.76 0.89 1.00 2.5 3798
9A 75º 0 0.005 40 0.2 23 25 5.22 0.83 0.97 1.00 2.5 4128
10 60º 0 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
10A 60º 0 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
11 60º 2 0.004 40 016 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
11A 60º 2 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
12 60º 4 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
12A 60º 4 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
13 45º 0 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
13A 45º 0 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
14 45º 2 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
14A 45º 2 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
15 30º 0 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
15A 30º 0 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
16 30º 2 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
16A 30º 2 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
17 45º 4 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
17ª 45º 4 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
18 30º 4 0.004 40 0.16 23 20 3.74 0.59 0.45 1.00 2.5 2363
18A 30º 4 0.004 40 0.16 23 22 4.11 0.65 0.49 1.00 2.5 2599
Nº
Reynolds
MEDIDAS
CHORRO
HASTA
IMPACTO
-----
Modificación del
Nº DE FROUDE
DENSIMÉTRICO
CHORRO
HASTA
IMPACTO
-----
Modificación del
ÁNGULO DE
DESCARGA
CHORRO y
SPREADING
LAYER.
-------
Modificación de
la PENDIENTE
DEL FONDO.

3.2. METODOLOGÍA Y DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS.
De acuerdo con lo ya comentado, para la caracterización del flujo en estos ensayos se han utilizado técnicas ópticas no intrusivas PIV
(Particle Image Velocimetry) y LIF (Laser Induced Fluorescence), gracias a las cuales se obtienen los campos de velocidades y
concentraciones instantáneas del flujo. A partir de estos campos se han realizado un análisis detallado de las magnitudes medias y
turbulentas, que ha permitido profundizar en los procesos físicos que rigen los procesos de mezcla del chorro denso en campo cercano,
además de generar una base de datos experimentales de gran valor para validar y calibrar modelos numéricos sencillos y avanzados
A continuación se describe muy brevemente el equipo y las técnicas utilizadas.
3.2.1. EQUIPOS.
Los principales elementos son el láser y las cámaras.
Se ha utilizado un láser Q-switched doble pulso Nd-Yag (Twins BSL con oscilador CFR-
200 y alimentación ICE-450), con dos cavidades de energía 130 mJ cada una, con una
longitud de onda de 532 nm, una duración del pulso de 8 ns y una frecuencia máxima de
30 Hz. El haz del láser es dirigido mediante un brazo telescópico que permite desplazar el
plano láser bidimensional hacia las tres direcciones geométricas y crear planos
horizontales, verticales o inclinados con respecto al fondo del tanque. En los ensayos, el
haz del láser se ha ajustado para que los planos verticales atraviesen el centro del tubo de
salida del efluente.
La Figura 7 muestra el modo de funcionamiento del láser. En primer lugar se activa la
lámpara flash del láser. El Q-switch tarda 200 µs en activarse y 100 ns tras su activación
(retraso el puesta en marcha), el láser se activa después durante un pulso de 5 ns.
Se han utilizados tres cámaras CCD Imager ProX 4M de la empresa LaVision, cada una con un objetivo Nikon AF Nikkor 50 mm
1:1.8D y rango de apertura de diafragma entre 1.8 y 22, aunque el utilizado ha sido 2.8 - 4. Las cámaras tienen una resolución de 2048
x 2048pixels; 14 bits de rango dinámico; 10.000 counts de intensidad máxima; 14.7 de frecuencia máxima de imágenes por segundo;
tiempos de exposición entre 500ns y 1000s
Las tres cámaras se han colocado paralelas entre sí y perpendicularmente al plano láser y al eje del chorro (bien sea un chorro
horizontal o inclinado) para la obtención de imágenes más nítidas y con la menor distorsión posible.
En la cámara LIF se ha colocado un filtro con longitud de onda límite de 540 nm y con un rango de funcionamiento entre 545 y 800 nm.
Este filtro está especialmente indicado para la rodamina de tipo 6G, ya que su longitud de onda de emisión es de 555nm.
3.2.2. TÉCNICA PIV (Particle Image Velocimetry)
Esta técnica, para medición de los campos de velocidad, permite de determinar de una manera simultánea dos componentes (2C) de la
velocidad instantánea en varios puntos de una sección bidimensional (2D) de un flujo. Para un tiempo t, un plano del flujo sembrado de
pequeñas partículas es iluminado por un haz láser y la imagen de las manchas de difusión de las partículas se graba sobre una cámara
CCD. Para un tiempo t + ∆t, se obtiene una segunda imagen de grabación. Mediante un algoritmo de tratamiento de la imagen, se
realiza un correlación espacial que relaciona las manchas de partículas y se estima el desplazamiento en píxel ∆dpíxel (x,y,t) recorrido por
las partículas entre las dos grabaciones espaciadas un tiempo ∆t.
Conocidos el intervalo de tiempo: ∆t que separa los dos grabaciones y el desplazamiento en píxel ∆dpíxel (x,y,t) de los grupos de
partículas, la velocidad de desplazamiento Vpíxel/s (x,y,t), expresada en píxel/s, se calcula mediante la siguiente fórmula:
V
pixel / s
d
( x,
y,
t)
pixel
, x ( x,
y,
t)
d
X
t
pixel
, y ( x,
y,
t)
Y
t
39
Figura 7. Esquema de funcionamiento del láser

Considerando los factores de escala en las direcciones horizontal y vertical (Sx y Sy en píxel/m), la velocidad Vm/s (x,y,t) en m/s, se
aplica la fórmula:
V
m / s
d
( x,
y,
t)
pixel
, x ( x,
y,
t)
S
t
x
d
X
pixel , y
( x,
y,
t)
S
La Figura 8 muestra un esquema de la medida de las velocidades mediante el
equipo PIV: se observa el plano láser iluminando una sección bidimensional de
un flujo que está sembrado de pequeñas partículas, mientras que una cámara,
situada perpendicular al plano láser, graba dos imágenes sucesivas de este flujo
iluminado, estableciéndose una correlación y calculando la velocidad según la
fórmula indicada.
t
y
Y
Se ha utilizado como algoritmo para establecer la correspondencia entre los
Figura 8. Principio de funcionamiento de la técnica PIV
grupos de partículas el algoritmo inter-correlación: dos imágenes sucesivas
de las partículas grabadas en los instantes t y t + ∆t son divididas en áreas de análisis de tamaño M x N. El área de análisis de la
primera imagen se llama área de interrogación y el de la segunda imagen se llama área de búsqueda. Para cada una de estas porciones
de imágenes se determina el desplazamiento más probable mediante el algoritmo de inter-correlación para los niveles de gris de las
imágenes, que se calcula con la función de correlación cruzada normalizada RIC(m,n). La posición del pico de correlación entre las dos
imágenes corresponde al desplazamiento más probable del grupo de partículas, según lo que muestra la Figura 9:
Figura 9. Principio de inter-correlación para calcular la velocidad
más probable de desplazamiento de las partículas
Si existe una correlación fuerte entre los grupos de partículas contenidas en las áreas de interrogación y de búsqueda, el
desplazamiento más probable del grupo de partículas de las áreas de análisis corresponde a la posición del pico de la función.
Se ha aplicado una aproximación sub-pixel para aumentar la precisión de la medida del desplazamiento, respecto a la
aproximación por pixel entero que se consigue mediante la función de correlación RIC(m,n).
Se ha utilizado un algoritmo “multi-pass” con dos pasos de ínter-correlación sobre cada área de análisis, para calcular la correlación
entre las áreas de interrogación de la primera imagen y las áreas de búsqueda de la segunda imagen: se realiza un primer paso de
cálculo con un tamaño de área de análisis bastante grosero y se determinan los vectores mediante un análisis convencional. El segundo
paso se realiza utilizando estos vectores para desplazar las áreas de interrogación de menor tamaño y optimizar así la posición de las
áreas de búsqueda. Este algoritmo permite obtener un desplazamiento y/o deformación de las áreas de búsqueda calculando el vector
de desplazamiento, limitando las pérdidas de partículas entre las imágenes sucesivas y compensando los efectos debidos a los
gradientes de velocidad y los efectos de “peak-locking”, con lo que se obtiene una medida de precisión mayor. .
Las partículas utilizadas han sido PSP-50, de poliamida, 50µm de diámetro y 1030Kg/m³ de densidad. Como criterio se ha considera
que su velocidad de respuesta sea suficientemente rápida y su velocidad de sedimentación pequeña. Por otra parte, se recomienda que
el diámetro de la partícula en la imagen sea de 2-3 pixeles y su concentración tal que la distancia media entre partículas sea 1000 veces
superior al diámetro de las mismas.
40

Respecto al tamaño de las áreas de análisis, ha de ser tal que un mínimo de 2 ó 3 de las partículas permanezcan entre el área de
interrogación y de búsqueda. Además, el desplazamiento de las partículas entre las dos áreas de análisis no debe sobrepasar 1/4 del
tamaño del área de análisis elegida.
Para nuestros ensayos se ha elegido inicialmente un tamaño del área de interrogación de 64×64 pixeles y un tamaño del área de
búsqueda de 32×32 pixeles, con un desplazamiento de las partículas de aproximadamente 8 pixeles. Además, se ha utilizado un
recubrimiento de 50% en ambas, tanto en las direcciones horizontal como vertical para tener en cuenta las partículas que entran y
salen del área de análisis en los tiempos t y t + ∆t. El resultado son imágenes de velocidad con resolución de 128x128 vectores.
3.2.3. TÉCNICA LIF (Laser Induced Fluorescence)
Es una técnica óptica que permite obtener los campos de concentración instantánea de trazador en el flujo
El plano láser ilumina, a una determinada longitud de onda, una sección bidimensional del flujo. El fluido ha sido previamente tintado
con un colorante orgánico (generalmente rodamina), con propiedades fluorescentes, que seguirá fielmente la trayectoria del flujo y
permitirá medir la intensidad de luz. Cuando el fluido atraviesa el plano láser, el colorante absorbe la energía de la luz del láser y es
excitado, re-emitiendo después la luz en una longitud de onda más larga. Esta luz re-emitida es grabada por la cámara CCD, equipada
con un filtro que deja pasar únicamente la luz emitida por la rodamina. La Figura 10 muestra la fotografía de un ensayo LIF. A la
izquierda se observa la luz del láser que ilumina el flujo de chorro horizontal tintado con colorante fluorescente, que se vierte desde el
extremo derecho.
El nivel de fluorescencia varía con la concentración y con otros parámetros experimentales, de acuerdo con la fórmula:
S
f
Siendo:
optic
EV Q A C f
c
- C: concentración de colorante.
c
optic
- E: intensidad de la luz del láser.
EV Q e
c
LC
- Qλ: eficacia quantum (a la longitud de onda de excitación del láser).
- f: factores ópticos.
- Vc: volumen de medida.
Figura 10. Imagen de ensayo LIF para chorro denso horizontal. Se observa la iluminación del
láser (izquierda) sobre el efluente en chorro tintado con rodamina fluorescente (derecha).
C
- Ac: fenómeno de absorción o atenuación de la intensidad de luz en su trayectoria (L) por el fluido, que se caracteriza por un índice de
absorción (ε)
Para concentraciones pequeñas de colorante [2], el fenómeno de absorción/atenuación es despreciable (Ac = 1), obteniéndose una
relación lineal entre el nivel de fluorescencia: S, la concentración del colorante: C y la intensidad de la luz del láser: E, con una
constante α que caracteriza todos los parámetros experimentales. De este modo, la concentración de colorante (y con ello la dilución
del efluente) se mide precisión a partir de su correlación con la cantidad de luz medida por la cámara. El proceso de calibración consiste
en determinar la constante en cada píxel de la cámara. Esta constante que sólo depende de los parámetros experimentales y que,
41

por tanto, si no se modifican estos parámetros se mantiene entre la calibración y los ensayos. Cuando la concentración del colorante es
más alta [3], la atenuación es significativa y es necesario aplicar una serie de correcciones en las imágenes para garantizar resultados
fiables. Existen además otros aspectos (CCD de la cámara, perfil de láser de tipo Gauss, etc.) que exigen la corrección de las imágenes
LIF [3,4].
Para calcular la concentración de colorante a partir de la intensidad de la luz grabada por la cámara, se aplica la fórmula:
S
C
E
Como tinte fluorescente para el efluente se ha utilizado el colorante orgánico rodamina 6G, considerando: su compatibilidad en longitud
de onda con el espectro de emisión del láser y con el filtro LIF de la cámara; su no toxicidad; su insensibilidad frente a variaciones
térmicas y su resistencia del “photobleaching” [4]. Trabajos previos [3] indican que la linealidad entre intensidad luminosa y
concentración de rodamina 6G se cumple para concentraciones de éste inferiores a 20µg/l.
3.2.4. EFLUENTE Y CONFIGURACION DE ENSAYO.
El efluente es una mezcla de agua dulce y sal común en una concentración tal que su salinidad es aproximadamente 30-31psu. El
efluente se encuentra almacenado en un tanque de 5000litros, a una altura de aproximadamente 3m sobre el tanque de ensayo, con el
fin de disponer de energía potencial suficiente para verter el efluente por gravedad y conseguir las velocidades deseadas en la boquilla
del chorro.
Para garantizar un nivel contante en el tanque del efluente constante se ha conectado el tanque de 5000litros con un tanque más
pequeño de 1000litros, manteniéndose un bombeo y una recirculación continua del efluente entre ambos tanques, de modo que el nivel
es siempre contante en el tanque de 1000litros, independientemente del volumen en el otro tanque.
El tanque de ensayo, las cámaras y el láser se encuentra completamente tapado para evitar la entrada de luz.
La Figura 11 muestra fotografías de la configuración de los ensayos PIV-LIF realizados en el Instituto de Hidráulica Ambiental.
Figura 11. Configuración de los ensayos PIV-LIF. A la izquierda: tanques de efluente interconectados para mantener nivel constante; centro: tanque de
ensayo tapado para conseguir oscuridad. Derecha: interior del tanque.
De acuerdo con lo comentado, para poder caracterizar los campos de velocidades y concentraciones mediante las técnicas PIV y LIF, se
han añadido al efluente partículas de poliamida de 50µm, en concentración suficiente, y rodamina 6G, como colorante orgánico, en
concentración de 250µg/l. Las pruebas realizadas demuestras que esta concentración es suficientemente grande para poder observar el
comportamiento del vertido incluso en la “spreading layer” y comienzo del campo lejano, pero suficientemente pequeña para que la
mayor parte del fluido en el ensayo tenga una concentración inferior a 20µg/l, lo que permite ignorar el efecto de absorción por
presencia de la rodamina.
42

3.2.5. METODOLOGÍA DE ENSAYO.
La figura 12 muestra los pasos metodológicos realizados en cada ensayo.
LIMPIEZA DEL TANQUE.
Preparación CONFIGURACION de ensayo (boquilla, pendiente fondo)
LLENADO DEL TANQUE
VERIFICACION de la CONFIGURACIÓN de ensayo.
COLOCACION Y CALIBRACIÓN DE LAS CÁMARAS.
CALIBRACION LIF
Para obtener la recta que relaciona intensidad luminosa con
concentración de rodamina.
Mediante urna de cristal en el interior del tanque.
Aprox. 10 puntos de calibrado en el rango de concentraciones del
efluente.
MEDIDA DE VARIABLES FÍSICAS de efluente y medio receptor:
Salinidad, temperatura, conductividad (conductímetro).
Densidad (densímetro e indirectamente mediante formulación)
EJECUCIÓN DEL ENSAYO
- Apertura válvula y control continuo del caudal.
- Grabación con frecuencia deseada durante tiempo
ensayo seleccionado
Figura 12. Metodología de ensayos PIV-LIF y de post-procesado y análisis de los datos
43
Uso de modelos básicos (herramientas
MEDVSA) para diseñar el ensayo
(dimensiones, calado, configuración)
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Campos de velocidades y concentraciones medias y
turbulentas.
Valor variables en secciones transversales.
Análisis ecuaciones y peso de cada término.
Análisis crítico hipótesis simplificativas.
Análisis dimensional.
Calibración y validación de modelo numéricos
ANÁLISIS DE CALIDAD DE DATOS
EXPERIMENTALES
Eliminación imágenes ante estado estacionario.
Series temporales.
Convergencia de estadísticos
Validación de resultados con datos publicados
POSTPROCESADO DE DATOS.
Restado de background de cámara a imágenes.
Corrección de imágenes LIF (atenuación por
rodamina; CCD, correcciones ópticas, perfil no
homogéneo láser, etc.).
Paso de counts a concentración en imágenes
LIF. Obtención los campos instantáneos de
concentración del flujo.
Postprocesado y filtrado imágenes PIV.
Obtención de los campos instantáneos de
velocidades.

La calibración LIF se lleva a cabo, previamente a la ejecución de cada ensayo, para calcular el valor de la constante que permita
correlacionar la intensidad de luz grabada por la cámara con la concentración de rodamina. Para la calibración se dispone de las
siguientes urnas, adecuadas según el caso y área de estudio: pequeñas urnas de metacrilato de 2 litros de volumen; urna de cristal de
dimensiones 86x65x25cm³ y 80l de capacidad (para estudio del chorro); y urna de metacrilato de dimensiones 50x20x10cm³, y 5 litros
de capacidad (para estudio de la “spreading layer”).
Los pasos en la calibración son:
- 1. Colocación de la urna de calibración, llena de un volumen conocido de agua dulce, en el interior del taque, en el
área de toma de imágenes de la cámara.
- 2. Adición del volumen necesario de rodamina para alcanzar en la urna la concentración de rodamina
correspondiente al punto más bajo (de menor concentración) en la curva de calibración. Agitación para
homogeneizar la mezcla de rodamina y agua de la urna.
- 3. Tapado de la zona de ensayo para asegurar la oscuridad total. Encendido de láser. Grabación de 100 imágenes a
la frecuencia de ensayo.
- 4. Destapado de la urna. Adicción de un volumen adicional de rodamina para conseguir en la urna la concentración
correspondiente al segundo punto de la curva. Agitación.
- 5. Tapado de la zona de ensayo para asegurar la oscuridad total. Encendido de láser. Grabación de 100 imágenes a
la frecuencia de ensayo.
- Los pasos 4 y 5 se van repitiendo consecutivamente hasta recorrer todos los puntos deseados en la curva de
calibración.
Terminada la calibración se tendrán 100 imágenes (counts) de cada punto de la curva. El siguiente paso es calcular la media temporal
de las 100 imágenes en cada punto de la recta de calibración, obteniendo una única imagen media temporal por punto. Un vez
realizadas las correcciones oportunas a estas imágenes medias temporales (homogeneización del perfil láser, correcciones ópticas,
corrección por absorción debido a la rodamina, etc.), se calcula, para la imagen media temporal, la media espacial de counts de toda la
imagen. Este valor medio (espacial y temporal) de counts se hace corresponder con la concentración de rodamina añadida, obteniendo
sucesivamente los puntos de la curva de calibración.
La figura 13 muestra una fotografía de la urna de calibración de cristal colocada en el tanque durante el proceso de calibración, desde
fuera y dentro de la zona de ensayo, así como una imagen de la urna con rodamina iluminada por el láser.
Figura 13. Fotografía del proceso de calibración LIF mediante urna de cristal, para obtener la curva que relación los counts medidos por la cámara con la
concentración de rodamina 6G..
La Figura 14 muestra un ejemplo de curva de calibración LIF. Como puede observase, la linealidad entre concentración de rodamina
(µg/l) e intensidad de luz (counts) se mantiene hasta concentraciones próximas a 80µg/l. A partir de una determinada concentración de
rodamina, la luminosidad emitida por la rodamina es tal que satura la capacidad de la cámara.
44

Figura 14. Ejemplo de recta de calibración de los ensayos LIF
45

3.3. POSTPROCESADO Y ANÁLISIS DE DATOS.
Una vez finalizado el ensayo se realiza el postprocesado PIV, con los correspondientes filtros, correcciones y criterios, para obtener los
campos de velocidades. Así mismo, se realizan las correcciones oportunas a cada una de las imágenes de intensidades de luz LIF, y se
aplica la curva de calibración para transformar los campos de counts en campos de concentración de rodamina.
El número de imágenes en cada ensayo está entre 1500 – 1800 imágenes, tomadas con una frecuencia de 5 – 7 Hz.
Terminado el ensayo, los resultados serán 1800 imágenes instantáneas de campos de velocidad (ocupan 200Kb/imagen) y
1800imágenes de campos de concentración (ocupan aprox. 11Mb/imagen) sincronizadas entre sí, lo que permite obtener el valor de
variables combinadas, como el transporte de masa.
3.3.1. ANÁLISIS DE LAS CALIDAD DE LOS DATOS. SELECCIÓN DE IMÁGENES.
Para analizar la calidad de los ensayos se representan en primer lugar las series temporales (evolución de las variables en el tiempo
de ensayo) de las velocidades y concentraciones en cinco puntos característicos del flujo. Esta representación permitirá tener una
primera visión del comportamiento del flujo y determinar cuánto tiempo (número de imágenes) tarda el chorro en alcanzar el estado
estacionario. Todas las imágenes previas al alcance de este estado serán despreciadas en el análisis.
La Figura 15 muestra las series temporales de velocidad y la Figura 16 las series temporales de concentración correspondientes a los
cinco puntos de control del análisis del ensayo 02. Puede observarse cómo a partir de la imagen 500 (tiempo 500imag/5Hz=100sg
desde comienzo del ensayo), e incluso antes, las variables tienden a valores medios en todos los puntos de control. Por tanto, se
considera que el flujo es estacionario a partir de la imagen 500, despreciando todas las anteriores en los cálculos.
Figura 15. Series temporales de valores de velocidades medias horizontales y verticales
46

Figura 16. Series temporales de valor de concentración media
A continuación se analiza la convergencia de los estadísticos, con el objetivo de determinar el número mínimo de imágenes
necesarias para calcular las medias temporales garantizando la convergencia de los estadísticos. Para este análisis, se calcula el valor
medio de todas las imágenes (despreciadas las previas al estado estacionario). A continuación se calculan los valores medios de cada
imagen añadiendo a la media la siguiente consecutivamente; es decir, se calcula el valor medio de la imagen 1, el valor medio de las
imágenes 1 y 2, el valor medio de las imágenes 1, 2 y 3,…, el valor medio de la imágenes 1, 2, …, 1000, hasta alcanzar de nuevo el
valor medio de todas las imágenes. Para cada uno de estos valores medios de agrupaciones de imágenes (representado en los gráficos
como “Number of image”) se calcula el error relativo respecto al valor medio obtenido considerando todas las imágenes. Así pues, el
error relativo para Number of image =500, se refiere al error (en tanto por uno) que se comete utilizando la media de 500imágenes con
respecto a utilizar la media de las 1300 (1800 menos 500 de estado no estacionario).
La Figura 17 muestra los estadísticos de convergencia de velocidades medias horizontal y vertical, mostrando el error relativo para los
mismos cinco puntos de control para los que se calcularon las series temporales. De los gráficos se deduce que, a partir de
aproximadamente 800 imágenes el error cometido es pequeño en todos los puntos. Por tanto, 800 imágenes serían representativas
para el cálculo de las medias temporales.
47

Figura 17. Convergencia de estadísticos para las velocidades medias horizontales y verticales en los cinco puntos de estudio
La Figura 18 muestra los estadísticos de convergencia de concentración media y fluctuación de concentracion, mostrando el error
relativo para los mismos cinco puntos de control para los que se calcularon las series temporales. De los gráficos se deduce que, a
partir de aproximadamente 1000 imágenes el error cometido es pequeño en todos los puntos. Por tanto, 1000 imágenes serían
representativas para el cálculo de las medias temporales.
Figura 18. Convergencia de estadísticos para la concentración media y fluctuaciones de concentración en los cinco puntos de estudio
48

3.3.2. ANÁLISIS DE LOS CAMPOS DE VARIABLES.
Se representan los campos medios temporales de las principales variables de estudio:
- Variables hidrodinámicas: velocidades medias horizontal y vertical; valores medios (media cuadrática) de las
fluctuaciones horizontal y vertical de las velocidades; tensiones turbulentas de Reynolds y energía cinética
turbulenta).
- Concentración: concentración media y valor medio (media cuadrática) de las fluctuaciones de concentración.
A continuación se presentan los gráficos de los campos medios de las variables promediadas temporalmente, para distintos casos de
los ensayados y expuestos en la Tabla 6.
CHORROS CON DISTINTOS VALORES DEL Nº DE FROUDE DENSIMÉTRICO.
Dentro de las variables estudiadas en el marco del proyecto MEDVSA es el comportamiento del chorro para distintos números de Froude
densimétrico, entre 15 y 40, dado que es una de las variables clave del diseño de los vertidos en chorro, por ser determinante en su
dilución. Para modificar el número de Froude densimétrico, se modifica el caudal de descarga, y con ello la velocidad de salida del
chorro, manteniéndose constantes el resto de variables (diámetro de la boquilla, diferencia de densidad, etc.).
La Figuras 19 a 24 muestran los campos de las variables obtenidas para los dos casos 01A, número de Froude densimétrico igual a
15, y para el caso 05, número de Froude densimétrico igual a 35, manteniéndose constantes el resto de las variables y con ambos
chorro inclinados 60º. La obtención de los campos es posterior al análisis de calidad de los datos descrito anteriormente, de modo que
los campos no incluyen las imágenes eliminadas, correspondiente al estado previo al estacionario.
La Figura 19 y 20 muestran los campos de variables hidrodinámicas. De izq. a dcha. y de arriba a abajo: velocidades medias
horizontal (U) y vertical (V); energía cinética turbulenta; velocidades turbulentas horizontal (U’) y vertical (V´), y tensiones turbulentas
de Reynolds (U’V’)).
Figura 19. Campos hidrodinámicos para el caso 1A
49

Figura 20. Campos hidrodinámicos para el caso 5
Como se observa en las Figuras 19 y 20, para el caso 05, al que corresponde un mayor número de Froude densimétrico y un mayor
número de Reynolds, los campos de velocidades medios tienen un mayor valor y se observa además el efecto de los vórtices en la
imagen. Igualmente, la energía cinética turbulenta, las fluctuaciones de velocidad y las tensiones de Reynolds son mayores. Esto
justifica que la mezcla del efluente con el agua del medio receptor en el caso 05 sea mayor que en el caso 01A.
Las Figuras 21 y 22 muestran los campos de concentración media (C), representados con tres escalas de valores distintas, para los
casos 01A y 05, una vez también eliminadas las imágenes previas al estado estacionario.
Figura 21. Campos de concentración media (C) para el chorro del caso 1A
Figura 22. Campos de concentración media (C) para el chorro del caso 5
50

Acorde con lo comentado, la dilución en el chorro del caso 05 es mucho mayor que en el chorro 01A y, por tanto, el valor de la
concentración los campos de concentración es menor en el chorro 05.
Las Figuras 23 y 24 muestran los campos de concentración turbulenta (C’) para los casos 1A y 5, representados con tres escalas
de valores distintas, una vez también eliminadas las imágenes previas al estado estacionario.
Figura 23. Campos de concentración turbulenta (C’) para el chorro del caso 01ª (chorro inclinado 60º y Número de Froude densimétrico igual a
15)
Figura 24. Campos de concentración turbulenta (C’) para el chorro del caso 5 (chorro inclinado 60º y Número de Froude densimétrico igual a 35)
51

CHORROS CON DISTINTO ANGULO DE DESCARGA.
Otra de las variables estudiadas experimentalmente con técnicas ópticas PIV-LIF en el marco del proyecto MEDVSA es el ángulo de
descarga del chorro con respecto al fondo, que es otra de las variables de diseño del vertido más influyentes en el comportamiento del
fluido. Se han modelado valores entre 15º y 75º.
La Figuras 25 a 30 muestran los campos de las variables obtenidas para los dos casos 6, chorro inclinado 15º, y 02A, chorro
inclinado 60º, siendo el resto de variables idénticas y ambos chorros con un número de Froude densimétrico igual a 23. La obtención de
los campos es posterior al análisis de calidad de los datos descrito anteriormente, de modo que los campos no incluyen las imágenes
eliminadas, correspondiente al estado previo al estacionario.
Las Figuras 25 y 26 muestras los campos de variables hidrodinámicas. De izq. a dcha. y de arriba a abajo: velocidades medias
horizontal (U) y vertical (V); energía cinética turbulenta; velocidades turbulentas horizontal (U’) y vertical (V´), y tensiones turbulentas
de Reynolds (U’V’)).
Figura 25. Campos hidrodinámicos para el caso 6 (chorro inclinado 15º y Número de Froude densimétrico igual a 23)
52

Figura 26. Campos hidrodinámicos para el caso 02ª (chorro inclinado 60º y Número de Froude densimétrico igual a 23)
Las Figuras 25 y 26 revelan cómo cuanto menor es el ángulo de descarga, mayor valor tiene la componente horizontal de velocidad
frente a la componente vertical, que para 15º tiene un valor muy pequeño. Los campos de fluctuaciones de la velocidad, de energía
cinética turbulenta y de tensiones de Reynolds son también mayores en el caso del chorro inclinado 60º; mientras que con una
inclinación de 15º, el chorro se mantiene prácticamente pegado al fondo, con turbulencia inapreciable en su rama inferior.
Las Figuras 27 y 28 muestran los campos de concentración media (C), representados con tres escalas de valores distintas, para los
casos 6 y 9, una vez también eliminadas las imágenes previas al estado estacionario
Figura 27. Campos de concentración media (C) para el chorro del caso 6
53

Figura 28. Campos de concentración media (C) para el chorro del caso 9
Acorde con mayores valores de fluctuaciones en la velocidad, se obtienen mayores diluciones en el caso 02A de chorro inclinado 60º y,
por tanto, concentraciones más pequeñas en su trayectoria.
Las Figuras 29 y 30 muestran los campos de concentración turbulenta (C’) para los casos 6 y9, representados con tres escalas de
valores distintas, una vez también eliminadas las imágenes previas al estado estacionario.
Figura 29. Campos de concentración turbulenta (C’) para el chorro del caso 6
Figura 30. Campos de concentración turbulenta (C’) para el chorro del caso 9
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CHORROS VERTIDO EN UN MEDIO RECEPTOR CON DISTINTA PENDIENTE.
Otra de las variables estudiadas experimentalmente con técnicas ópticas PIV-LIF en el marco del proyecto MEDVSA es la pendiente del
fondo, que influye también significativamente en el comportamiento del chorro en la región del campo cercano, especialmente en la
capa de esparcimiento lateral (“spreading layer”) posterior al punto de impacto del chorro con el fondo, y a la evacuación del fluido, de
modo que se evite el re-entrainment de la salmuera de la boquilla con la salmuera de la “spreading layer”. Se han modelado pendientes
de 0, de 2% y de 4%.
La Figuras 31 a 36 muestran los campos de las variables obtenidas para los dos casos 6, chorro inclinado 15º, y 02A, chorro
inclinado 60º, siendo el resto de variables idénticas y ambos chorros con un número de Froude densimétrico igual a 23. La obtención de
los campos es posterior al análisis de calidad de los datos descrito anteriormente, de modo que los campos no incluyen las imágenes
eliminadas, correspondiente al estado previo al estacionario.
Las Figuras 31 y 32 muestras los campos de variables hidrodinámicas. De izq. a dcha. y de arriba a abajo: velocidades medias
horizontal (U) y vertical (V); energía cinética turbulenta; velocidades turbulentas horizontal (U’) y vertical (V´), y tensiones turbulentas
de Reynolds (U’V’)).
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3.4. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN.
Al final del proyecto MEDVSA, y de los ensayos mediante técnicas ópticas no intrusivas PIV y LIF, el IH Cantabria ha desarrollado
una metodología completa para la aplicación de estas técnicas al estudio mediante modelo físicos de vertidos de efluente hipersalino.
En el marco del proyecto MEDVSA, el estudio se ha centrado en el comportamiento en campo cercano de un vertido mediante chorro
individual sumergido en un medio receptor en reposo, tomando como parámetros a modificar: el número de Froude densimétrico, el
ángulo de descarga y la pendiente del fondo.
Como futuras líneas de investigación, se propone la aplicación de estas técnicas ópticas PIV y LIF para:
o Ampliar el estudio de vertido mediante chorro, analizando la influencia de la boquilla de descarga y del impacto con
la superficie libre.
o Ampliar el estudio del comportamiento en campo cercano a vertidos bajo otras configuraciones de descarga
(vertido mediante chorro emergido, vertido mediante canal superficial, etc.) incluyendo la zona de transición a
campo lejano.
o Estudiar el comportamiento de un vertido mediante tramo difusor de chorros múltiples, incluyendo la
interacción entre chorros, y su efecto sobre la dilución del efluente.
o Estudiar el comportamiento de la pluma hipersalina característica de campo lejano, considerando distintos
números de Froude, `pendientes y rugosidades en el fondo.
o Ampliar los estudios a un medio receptor dinámico, con presencia de corrientes ambientales y oleaje.
o Estudiar el comportamiento continuoEl comportamiento global y continuo del flujo en campo cercano y lejano para
ciertas configuraciones de descarga.
La base de datos experimentales generada será muy útil para la calibración y validación de los modelos numéricos (modelos de
simulación MEDVSA, y modelos avanzados CFDs e hidrodinámicos).
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3.5. REFERENCIAS.
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8, pp. 693-699.
[3] A. Ferrier; D.R. Funk; P. J.W. Roberts (1993). “Application of optical techniques to the study of plumes in stratified fluids”. Dynamics
of Atmospheres and Oceans, vol. 20, issue 1-2, pp. 155-183
[4] J.P. Crimaldi (2008). “Planar laser induced fluorescence in aqueous flows” . Experimental Fluids, vol. 44, pp. 851-863
[5] H.B. Fisher (1979). “Mixing in island and coastal waters”. Academic Press, N.Y. 1979.
[6] M.A. Zeitoun (1970).“Conceptual designs of outfall systems for desalination plants”. Research and Development Progress Rept. No
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[7] A. Cipollina, A. Brucato, F.Grisafi, S. Nicosia (2005). “Bench-Scale Investigation of Inclined Dense Jets”. Journal of Hydraulic
Engineering, ASCE, vol. 131, no 11, pp. 1017-1022.
[8] G.A. Kikkert, M.J. Davidson, R.I. Nokes (2007). “Inclined Negatively Buoyant Discharges”. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE,
vol. 133, pp.545– 554.
[9] D. Shao, Lao Wing-Keung Lao (2010). “Mixing and boundary interactions of 30º and 45º inclined dense jets”. Environmental Fluid
Mechanics, SpringerLink, vol. 10, no5, pp. 521-553.
[10] I.G. Papakonstantis, G.C. Christodoulou, P.N. Papanicolau (2011). “Inclined negatively buoyant jets 1: Geometrical characteristics.
Journal of Hydraulics Research, Taylor and Francis Group, vol. 49, No.1, pp. 13-22.
[11] I.G. Papakonstantis, G.C. Christodoulou, P.N. Papanicolau (2011). “Inclined negatively buoyant jets 2: Concentration
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[15] VISJET 2.0 User Manual . The University of Hong Kong. Principal Investigators: Prof. JHW Lee and Prof. WP Wang. 2000
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