Introducción

Esta sección presenta el sistema de ecuaciones, la formulación de las condiciones de contorno y el esquema de volúmenes finitos utilizado en OilFlow2D. La información puede ampliarse en las referencias.

OilFlow2D es un modelo numérico que simula la propagación de petróleo y fluidos viscosos sobre la superficie terrestre, así como la trayectoria y el destino de crudos en el agua. OilFlow2D forma parte del conjunto de modelos de Hydronia, que incluye RiverFlow2D y RiverFlow2D GPU. El componente de derrames sobre terreno de OilFlow2D puede simular profundidades y velocidades de fluidos sobre terrenos complejos con alta resolución y una estabilidad, precisión y velocidad notables, teniendo en cuenta la evaporación y la infiltración del petróleo. El uso de mallas adaptativas de celdas triangulares permite resolver el campo de flujo alrededor de elementos clave en geometrías irregulares y entornos de terreno complejos.

El componente de derrames de petróleo en agua de OilFlow2D calcula las trayectorias del petróleo en ríos, estuarios y aguas costeras, incorporando los efectos de la evaporación, emulsificación y disolución del petróleo, así como su interacción con las orillas.

Esta versión de OilFlow2D incluye una interfaz gráfica de usuario avanzada basada en un complemento desarrollado por Hydronia para el Sistema de Información Geográfica de código abierto QGIS (www.qgis.org). La integración del complemento OilFlow2D y el sistema de software QGIS proporciona funciones interactivas para generar y refinar la malla flexible utilizada por OilFlow2D, capas y herramientas GIS conocidas para construir una representación de alto nivel del modelo, facilitar la asignación de condiciones de contorno y valores de Manning's n, y gestionar todas las demás capas de datos requeridas por los componentes de OilFlow2D, lo que permite al usuario administrar eficazmente todo el proceso de modelación. OilFlow2D para QGIS ofrece un conjunto completo de herramientas de visualización, incluidos el renderizado de mapas, las animaciones y la exportación de gráficos en formato shapefile y Google Earth.

El motor de cálculo de OilFlow2D utiliza un método de solución de volúmenes finitos preciso, rápido y estable que garantiza la conservación exacta de la masa y soluciones estables mediante el ajuste dinámico y automático del paso de tiempo numérico. OilFlow2D puede integrar estructuras hidráulicas como alcantarillas, vertederos, puentes, compuertas y vertederos, además de integrar el efecto del viento sobre la superficie del agua.

Este manual de referencia proporciona instrucciones para instalar el software OilFlow2D para QGIS y explica los fundamentos del modelo y sus componentes, así como los métodos numéricos utilizados para resolver las ecuaciones gobernantes. También presenta una descripción detallada de los archivos de datos de entrada y de salida. Un documento de tutorial independiente proporciona directrices detalladas para comenzar a utilizar las capacidades de OilFlow2D.

Resumen de las funciones y capacidades de OilFlow2D

Capacidad principal

• Simulación de crudos y fluidos viscosos sobre el agua y sobre terrenos complejos.

Generador de mallas

• Generación automática de mallas flexibles de celdas triangulares.
• Refinamiento de la malla a lo largo de polilíneas de densidad o dentro de polígonos.
• Uso de breaklines para ajustar la malla a lo largo de elementos del terreno.
• Uso de varios Modelos Digitales de Elevación en la misma malla según las áreas seleccionadas por el usuario.
• Interpolación espacial de las elevaciones de los DEM en las celdas.
• Optimización de la numeración de celdas y nodos de la malla.

Motor numérico

• Discretización espacial mediante celdas triangulares.
• Motor de volúmenes finitos de alto rendimiento.
• Selección automática y dinámica del paso de tiempo computacional.
• Integración de celdas secas.
• Conservación exacta del volumen.
• Cálculos en doble precisión para una mayor exactitud.
• Paralelización completa con OpenMP para una ejecución más rápida en equipos con varios núcleos.
• Versión GPU para simulaciones hasta \(>\) 700X más rápidas mediante tarjetas gráficas NVIDIA GPU.

Componentes hidráulicos

• Roturas internas de presas y diques.
• Alcantarillas mediante la formulación de la Administración Federal de Carreteras de EE. UU. (FHWA).
• Hidráulica de puentes en 2D, incluidos el flujo a presión y el rebase.
• Fuerzas de arrastre de pilas de puentes.
• Vertederos con elevaciones de cresta variables.
• Compuertas.
• Rotura de presas (fallo prescrito, erosión por tubificación y rebase).
• Estructuras hidráulicas internas.
• Fuentes y sumideros.
• Esfuerzo del viento distribuido espacialmente.
• Socavación de pilas y estribos de puentes.
• Ejecuciones por lotes automatizadas y secuenciales para cada fuente de entrada/derrame.

Formatos de datos de entrada

• Unidades métricas o inglesas.
• ASCII X, Y, Z.
• Archivos de cuadrícula ASCII de ESRI.
• DEM de USGS.
• Shapefiles de ESRI.
• Autodesk DXF.
• Rásteres TIFF, GIF, JPG, etc.
• Cualquier formato de datos ráster o vectorial aceptado por QGIS.

Condiciones iniciales

• Fondo seco.
• Elevaciones constantes de agua definidas por el usuario sobre polígonos.
• Elevaciones variables de agua definidas por el usuario mediante datos ráster.

Condiciones de contorno

• Hidrograma de caudal de agua.
• Caudal de agua y elevación del agua frente al tiempo.
• Elevación del agua frente al tiempo.
• Flujo uniforme.
• Tablas de aforo.
• Salida libre.
• Concentraciones de contaminantes en la entrada (módulo PL).

Opciones de salida

• Resultados en secciones transversales y perfiles.
• Puntos de observación: series temporales en ubicaciones seleccionadas por el usuario.
• Gráficos dinámicos mientras se ejecuta el modelo.
• Campo de velocidades, profundidad y elevaciones de la superficie del agua.
• Esfuerzo cortante del fondo.
• Número de Froude.
• Tiempo hasta 0,3 m (1 ft), tiempo hasta 0,5 m (2 ft), tiempo hasta 1 m (3 ft), tiempo hasta la profundidad máxima y tiempo de llegada de la onda frontal.
• Tiempo de inundación durante el cual la profundidad es mayor que 0,1 m o 4 in.
• Tiempo de llegada de la onda frontal.
• Shapefiles de ESRI.
• Gráficos GIS de postprocesamiento, incluidos shapefiles e imágenes ráster.
• Paraview VTK.

Salida de resultados para valores máximos

• Magnitud máxima de la velocidad.
• Profundidades máximas.
• Elevaciones máximas de la superficie del agua.
• Profundidad máxima por velocidad.
• Esfuerzo cortante máximo.
• Fuerza de impacto máxima por unidad de anchura.

Módulo de transporte de contaminantes PL

• Advección-dispersión-reacción.
• Tasas de reacción entre contaminantes/solutos.
• Cálculo simultáneo de múltiples solutos.