Simulaciones hidráulicas: ¿Unidimensional, Bidimensional o Tridimensional?

Este post trata sobre una pregunta que se suelen realizar muchos alumnos y muchos profesionales que trabajan en el sector de la Hidráulica. A la hora de realizar simulaciones hidráulicas, ¿qué es mejor utilizar, programas de modelización unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales?

Como ya supondréis y como normalmente ocurre para este tipo de preguntas, no hay una única y verdadera respuesta, sino que depende de los objetivos, finalidades y necesidades de cada usuario.

Antes de nada, hay que reseñar la enorme suerte que tenemos en estos tiempos de poder contar con modelos unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales, ya que hasta no hace tanto tiempo todavía se hacían los cálculos mediante papel y lápiz; y también la suerte al poder contar con ordenadores que ya pueden realizar simulaciones con estos modelos; sobre todo, los tridimensionales, que hasta hace muy poco tiempo era impensable por el elevado coste computacional.

Para contestar esta pregunta es importante fijarnos en tres variables:

Datos de entrada

Es muy importante antes de empezar a realizar cualquier simulación hidráulica, saber qué datos se tienen de la zona de estudio y las condiciones iniciales y de contorno. Aunque mucha gente piensa que lo más determinante es usar un software u otro para realizar las simulaciones, lo realmente importante es analizar en primer lugar la topografía o geometría de la zona de estudio, y comprobar que está bien y se corresponde con la realidad; así como que las condiciones iniciales y de contorno son correctas y se corresponden con nuestros escenarios de simulación.

Precisión en los resultados:

Una vez que se conoce la zona de estudio, las condiciones y los escenarios de simulación, ya se puede decidir entre un software u otro, en función de los resultados que se quieren obtener. Es decir, si se quiere obtener mucha precisión en los resultados es mejor utilizar un modelo 3D, sino un modelo 2D, y sino un modelo 1D, pero también depende de las dimensiones del tramo de estudio y de la geometra.

Por ejemplo, para un canal, donde predomina la componente longitudinal, se puede modelizar perfectamente con un modelo 1D, aunque las velocidades en cada sección serán aproximadas; cuando tienen importancia las llanuras de inundación, como en el caso de desbordamientos e inundaciones, es recomendable un modelo 2D, ya que predominan las componentes “x” e “y”; Y cuando se quiere estudiar los efectos sobre alguna estructura hidráulica en detalle, como una presa, aliviadero, escala de peces, etc. es más recomendable utilizar un modelo 3D, ya que, también adquiere gran importancia la componente “z”, que con los otros modelos no sería posible simular sus efectos.

Tiempo de cálculo

Muchos ya tendréis la respuesta a esta variable. Efectivamente, cuantos más componentes calcula un modelo, mayor será su coste computacional; es decir, de mayor a menor, el que mayor tiempo de cálculo requiere son los modelos 3D, luego los modelos 2D, y por último los modelos 1D. Pero en estos tiempos, si se cuenta con un buen ordenador, no es tanto problema ya que muchos de estos software se pueden paralelizar y disminuir notoriamente su tiempo de cálculo.

Está claro que en las simulaciones hidráulicas es muy complicado generalizar, ya que, cada estudio tiene sus condiciones, limitaciones y necesidades, pero como conclusin general y con mis años de experiencia, yo recomendaría utilizar los modelos unidimensionales para canales y cauces con un fuerte componente longitudinal y para zonas de estudio de grandes dimensiones, ya que los tiempos de cálculo son bajos; los modelos bidimensionales para el estudio de cauces y caudales donde predominen las inundaciones y los desbordamientos; y los modelos tridimensionales, para el análisis de estructuras hidráulicas en detalle, donde la influencia de la componente “z” sea determinante.

Autor: Miguel de Blas, profesor del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas