La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) se ha convertido en una herramienta muy potente en ingeniería hidráulica. Consiste en simular mediante computadora el comportamiento del flujo de agua resolviendo numéricamente las ecuaciones físicas que rigen el movimiento del fluido.

A lo largo de esta entrada exploraremos cuándo se usan los modelos CFD en hidráulica, sus fundamentos de cálculo, los software más utilizados , y una comparativa con los tradicionales modelos bidimensionales (por ejemplo, HEC-RAS 2D) empleados en la ingeniería de aguas.

¿Qué es un modelo CFD en ingeniería hidráulica?

Un modelo CFD es, esencialmente, un “gemelo digital” de un fenómeno de flujo de agua. En lugar de realizar un ensayo físico en laboratorio (por ejemplo, construir un modelo a escala de un río o de cada estructura de una presa), el modelo CFD permite simular el escurrimiento al detalle en una computadora. Para ello se resuelven las ecuaciones del movimiento de los fluidos en cada punto de un dominio que representa la geometría real (canal, río, tubería, etc.). El resultado es una predicción detallada de velocidades, presiones, profundidades y otras variables del flujo en tres dimensiones y con alta resolución espacial y temporal.

En ingeniería hidráulica, los modelos CFD se aplican exclusivamente a flujos de agua (incompresible y generalmente a una sola fase líquido-aire). Se utilizan para estudiar problemas donde el detalle tridimensional del flujo es importante: por ejemplo, la turbulencia alrededor de estructuras hidráulicas, la formación de torbellinos en canales, o la distribución de velocidades en una estación de bombeo. Los modelos CFD complementan y a veces reemplazan a los modelos físicos tradicionales, ofreciendo flexibilidad para probar múltiples condiciones sin construir prototipos y proporcionando una gran cantidad de información muy detallada en todo el campo de flujo.

Fundamentos de cálculo de un modelo CFD hidráulico

Detrás de un modelo CFD están las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos. Para flujos de agua, se consideran el agua como un fluido incompresible y Newtoniano. Las principales ecuaciones que resuelve un software CFD hidráulico son:

• Ecuación de continuidad: representa la conservación de la masa en el fluido. Para un fluido incompresible, esta ecuación exige que la divergencia del campo de velocidades sea cero. En forma diferencial simplificada:
  
  $\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0,$
  
  donde u, v, w son las componentes de la velocidad en las direcciones x, y, z. Esta ecuación asegura que no se crean ni destruyen volúmenes de agua dentro del dominio (lo que entra en una región es igual a lo que sale, si el fluido es incompresible).
• Ecuaciones de Navier-Stokes: son las ecuaciones de conservación de cantidad de movimiento (momentum) para el fluido. Básicamente son una formulación de la segunda ley de Newton aplicada a un elemento de fluido. En su forma general en 3D son un sistema de ecuaciones diferenciales parciales que relacionan la aceleración de una partícula de fluido con las fuerzas que actúan sobre ella. Simplificadamente, una de las formas de escribirlas (forma vectorial) es:
  
  $\rho \left(\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + (\mathbf{v} \cdot \nabla)\mathbf{v}\right) = -\nabla p + \rho \mathbf{g} + \mu \nabla^2 \mathbf{v},$
  
  donde intervienen la densidad del agua, el vector velocidad, la presión, la aceleración de la gravedad, y la viscosidad dinámica del fluido. En otras palabras, esta ecuación indica que la tasa de cambio de cantidad de movimiento de una partícula de agua (termino de inercia a la izquierda) es igual a la suma de fuerzas sobre la misma: el gradiente de presión (que impulsa o frena el flujo), el peso del agua (gravedad) y las fuerzas viscosas debidas a la fricción interna del fluido.

Estas ecuaciones de Navier-Stokes son no lineales y difíciles de resolver analíticamente, por lo que los modelos CFD emplean métodos numéricos para solucionarlas. Los software CFD típicamente usan técnicas de discretización como el método de volúmenes finitos, elementos finitos o diferencias finitas. El dominio (por ejemplo, el cauce de un río, o el interior de una compuerta) se divide en una malla de celdas pequeñas (pueden ser millones de celdas en 3D). En cada celda se aproximan las ecuaciones diferenciales por ecuaciones algebraicas que se resuelven iterativamente mediante algoritmos computacionales. De esta forma se obtiene una solución aproximada del campo de flujo.

Turbulencia

La mayoría de flujos hidráulicos de interés son turbulentos, lo que añade complejidad. La turbulencia implica movimientos caóticos y vórtices de múltiples escalas que, en principio, requerirían una resolución espacial y temporal finísima (muy costosa computacionalmente) para simular directamente.

En la práctica, los modelos CFD hidráulicos usan modelos de turbulencia para aproximar el efecto promedio de esos remolinos sobre el flujo principal. Los más comunes en ingeniería son los modelos RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), que promedian las ecuaciones en el tiempo y añaden términos de viscosidad turbulenta. Un ejemplo típico es el modelo k-ε, que introduce dos ecuaciones adicionales para calcular la energía cinética turbulenta (k) y su tasa de disipación (ε), cerrando el sistema de ecuaciones. Estos modelos permiten predecir de forma razonable cosas como la distribución de velocidades y esfuerzos cortantes medios sin simular cada pequeña fluctuación turbulenta. Para casos donde se requiere más detalle, existen enfoques como LES (Large Eddy Simulation), pero en hidráulica aplicada los RANS (más rápidos) son los más empleados para ingeniería rutinaria.

Superficie libre

En problemas hidráulicos, a menudo tenemos una superficie libre (la interfaz entre el agua y el aire, como la lámina de un río). Los modelos CFD tratan esta interfaz con técnicas especiales, ya que la geometría del dominio fluido cambia con el movimiento del agua. Una técnica común es el método VOF (Volume of Fluid), en el cual se introduce una función de volumen para cada celda que indica la fracción ocupada por agua. Las celdas en la superficie libre tienen mezcla de aire/agua y el método VOF rastrea el movimiento de la interfaz a medida que el flujo evoluciona, permitiendo simular fenómenos como olas, saltos hidráulicos, caída de agua en aliviaderos, etc.

Sin entrar en detalles matemáticos, lo importante es que los modelos CFD pueden reproducir el movimiento de la superficie libre de forma dinámica, algo clave en ingeniería hidráulica, por ejemplo, para predecir el tirante de agua y posibles sobrevertidos.

En resumen, el núcleo de un modelo CFD hidráulico es resolver las ecuaciones de continuidad y Navier-Stokes (posiblemente promediadas si hay turbulencia) en una malla que representa nuestra obra hidráulica o río, obteniendo como resultado campos tridimensionales de velocidad, presión y posición de la superficie libre. Esto conlleva mucho cálculo numérico, por lo que históricamente era inviable; pero gracias a los avances en potencia computacional, hoy es posible aplicar CFD a problemas de ingeniería hidráulica cotidianos con un rigor técnico alto.

¿Cuándo se utilizan los modelos CFD en hidráulica?

Dado que los modelos CFD ofrecen un nivel de detalle muy alto, se reservan normalmente para situaciones donde los métodos más simples (por ejemplo modelos 1D o 2D) no son suficientes para capturar la física del problema.

Algunas aplicaciones típicas son:

• Diseño de estructuras hidráulicas complejas: Por ejemplo, vertederos de presas, trampas de sedimentos, disipadores de energía, tomas de agua en embalses, aliviaderos en presas o canales. En estos casos, el flujo puede presentar altas velocidades, cambios bruscos de dirección, recirculaciones y saltos hidráulicos. Un modelo CFD 3D permite ver exactamente cómo el agua fluye a través de la estructura, identificar zonas de turbulencia intensa, verificar si se formarán bolsas de aire o cavitación, optimizar la forma de la estructura para mejorar la disipación de energía, etc. Por ejemplo, en un vertedero escalonado, un CFD puede mostrar la distribución de presión en cada escalón y la aeración del flujo, lo cual sería muy difícil de obtener con un modelo 2D o fórmulas empíricas.
• Estudios de socavación y erosión local: En puentes y pilas dentro de ríos, o en estructuras como espigones y diques, las corrientes generan vórtices tridimensionales (como el vórtice de herradura alrededor de una pila) que causan socavación del lecho. Un modelo CFD permite simular el flujo alrededor de la pila en 3D, obteniendo campos de esfuerzos cortantes en el lecho que sirven para estimar la capacidad erosiva y predecir la profundidad de socavación. Esto es vital para diseñar contramedidas. Los modelos 2D convencionales no pueden reproducir fielmente estos vórtices verticales, por lo que el CFD aporta un gran valor.
• Flujo en redes de tuberías o canales cerrados con geometrías complicadas: Por ejemplo, el interior de una estación de bombeo, donde confluyen varias tuberías y bombas, o un desagüe con múltiples bifurcaciones. En estos casos, un modelo 3D CFD ayuda a visualizar la distribución de velocidades, identificar zonas de estancamiento, formación de remolinos que puedan afectar a las bombas (por ejemplo vórtices de aspiración de aire), y así optimizar el diseño hidráulico interno. Otro ejemplo son alcantarillas y obras de drenaje urbano donde puede haber cambios de sección, codos, entradas laterales, etc., generando flujos secundarios 3D.
• Mezcla y calidad de agua: En tanques, embalses o ríos donde interese estudiar la mezcla de contaminantes, trazadores o diferencias de temperatura, el CFD permite simular el transporte de estas sustancias acoplado al flujo. Por ejemplo, en plantas potabilizadoras, se usa CFD para diseñar cámaras de mezcla y floculación, viendo cómo se distribuyen los productos químicos en el agua. En embalses, puede analizar corrientes de densidad (si hay gradientes térmicos) o la dispersión de un vertido contaminante en 3D. Estos son fenómenos difíciles de capturar con modelos 2D o fórmulas simplificadas.
• Situaciones donde los supuestos de modelos 2D no se cumplen: Por ejemplo, en flujos con fuerte no-hidrostaticidad. Los modelos 2D clásicos (de aguas poco profundas) asumen que la presión es prácticamente hidrostática (distribuida según la profundidad) y que no hay aceleraciones verticales significativas. Pero si tenemos, un chorro sumergido, un resalto hidráulico marcado, o un obstáculo que desvía el flujo verticalmente, esas condiciones no se cumplen. El CFD 3D no hace esa suposición y resuelve la presión y velocidades en vertical de manera completa, pudiendo captar ondas de presión, spray, turbulencias verticales, etc.

En resumen, usamos CFD en hidráulica cuando necesitamos “ver dentro” del flujo con detalle, o cuando requerimos resultados locales precisos (p.ej., presión sobre una superficie, esfuerzos en el lecho, distribución de velocidades en 3D) que otros métodos no pueden proporcionar. También es útil cuando no disponemos de datos empíricos o fórmulas confiables para una configuración nueva; el CFD nos permite explorar el fenómeno virtualmente. Eso sí, siempre que sea posible, los resultados de CFD se deben contrastar con datos experimentales o con modelos más simples, para validar que la simulación esté reproduciendo correctamente la realidad.

Principales software CFD

En el mercado existen numerosos programas capaces de realizar simulaciones CFD, desde herramientas comerciales de gran alcance hasta software de código abierto. En el ámbito de la ingeniería hidráulica, los software más usados en España y Latinoamérica incluyen:

• ANSYS Fluent / CFX: Son módulos de dinámica de fluidos dentro del paquete ANSYS, muy populares a nivel mundial. Fluent (y su par CFX) es un software comercial de propósito general capaz de simular prácticamente cualquier tipo de flujo. Se usan en universidades y empresas de ingeniería de la región para proyectos hidráulicos complejos. Ofrecen modelos robustos de turbulencia, multifase (útil para agua-aire), y una interfaz relativamente amigable. Por ejemplo, muchas consultorías han empleado ANSYS Fluent para estudiar flujos en presas, complejos hidroeléctricos o redes de tuberías a presión. Al ser de licencia comercial, requieren inversión, pero brindan soporte y multitud de herramientas de pre y post-proceso.

• OpenFOAM: Es el software CFD de código abierto más difundido. OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) es gratuito y altamente configurable, lo que lo hace muy atractivo en el mundo académico y para empresas que buscan flexibilidad sin costos de licencia. En España y Latinoamérica hay una creciente comunidad de usuarios de OpenFOAM aplicándolo a hidráulica: por ejemplo, simulación de ríos, cálculos de oleaje costero, flujos en canales, etc. OpenFOAM requiere más conocimiento de programación/configuración que otros software con GUI, pero su gran ventaja es la libertad y la posibilidad de adaptarlo (incluso existen bibliotecas desarrolladas para fenómenos hidráulicos particulares, como módulos para transporte de sedimentos, etc.). Muchas universidades imparten cursos de CFD con OpenFOAM y lo usan en investigación hidráulica.

• FLOW-3D (Flow3D Hydro): Es un software comercial especializado en flujos con superficie libre. Flow-3D ha sido muy adoptado por consultoras hidráulicas en Latinoamérica y España para estudios de presas, ríos e inundaciones. La razón es que Flow-3D fue de los pioneros en incorporar un algoritmo VOF robusto para superficies libres y cuenta con modelos pre-configurados para cosas como vertederos, disipadores, interacción fluido-estructura básica, etc. Su interfaz facilita montar modelos de embalses, canales con compuertas, rotura de presas, etc. Por ejemplo, proyectos de diseño de aliviaderos o de análisis de rotura de presa han usado Flow-3D para simular la onda de inundación resultante, con buena aceptación en entornos profesionales. Es costoso, pero orientado completamente a hidráulica, con soporte técnico en la región.

• Software Iber (2D) : Iber merece mención aunque es un modelo 2D (no CFD 3D completo). Desarrollado en España (UPC, Universidad de La Coruña y CEDEX), Iber es gratuito y se ha difundido ampliamente en la península ibérica y Latinoamérica como herramienta para modelos hidrodinámicos 2D en ríos y canales. Resuelve las ecuaciones de aguas poco profundas en dos dimensiones horizontalmente. Lo mencionamos porque muchos ingenieros hidráulicos en España/Latam primero recurren a Iber o HEC-RAS 2D para análisis iniciales de ríos e inundaciones, y dejan el CFD 3D para problemas muy particulares. Además de Iber, en el sector se conocen otros softwares de modelación hidráulica: por ejemplo, HEC-RAS 2D (del Cuerpo de Ingenieros de EE.UU., gratuito), TUFLOW o MIKE 21/3 (de DHI, de pago, usados en proyectos de inundaciones costeras o fluviales). También existe Telemac-Mascaret, un suite open source europeo que incluye modelación 2D y 3D de ríos y costas, utilizado en algunos proyectos de investigación.

Cada software tiene sus fortalezas: unos ofrecen mayor facilidad de uso y soporte; otros, mayor flexibilidad o costo cero. La elección suele depender del tipo de proyecto, recursos disponibles y experiencia del equipo. Lo importante es que todos resuelven las mismas ecuaciones básicas; por tanto, bien configurados, deberían llegar a resultados comparables para un mismo problema hidráulico.

CFD 3D vs modelos 2D (HEC-RAS, Iber): diferencias, ventajas y limitaciones

Un dilema frecuente es cuándo usar un modelo 3D CFD completo en lugar de un modelo 2D más sencillo como HEC-RAS 2D o Iber. Ambos enfoques son herramientas numéricas para simular flujos de agua, pero se basan en supuestos distintos y tienen diferentes campos de aplicación. A continuación comparamos sus características principales:

• Ecuaciones resueltas: Un modelo 2D tipo HEC-RAS o Iber resuelve las ecuaciones de aguas poco profundas (también conocidas como ecuaciones de Saint-Venant 2D). Estas se derivan de Navier-Stokes promediando en la vertical bajo la suposición de presión hidrostática y de que la longitud horizontal es mucho mayor que la profundidad. En consecuencia, un 2D calcula básicamente la altura de lámina de agua y velocidades promediadas verticalmente en cada celda de un plano horizontal. Por contra, un modelo CFD 3D resuelve las ecuaciones completas de Navier-Stokes sin promediar (o al menos resuelve múltiples capas en vertical con perfil de presión no necesariamente hidrostático). ¿Qué implica esto? Que el 3D puede captar gradientes verticales de velocidad y presión, mientras que el 2D asume que en vertical todo está bien mezclado y la presión es principalmente la debida al peso del agua. Por ejemplo, en un salto hidráulico, un modelo 2D representará la zona de mezcla como un cambio brusco de tirante y una región de turbulencia “promediada”, mientras que un CFD 3D puede mostrar el rodillo turbulento, la recirculación en superficie, incluso la distribución de aire arrastrado (si modela multifase). El 2D no “ve” dentro del espesor del flujo, el 3D sí.
• Dimensiones y escala del dominio: Los modelos 2D suelen usarse en ámbitos extensos: tramos largos de río, llanuras de inundación, cuencas, donde la tercera dimensión (profundidad) es relativamente pequeña en comparación con la extensión horizontal. Son ideales para mapear inundaciones y flujos en ríos a escala de cuenca, donde nos interesa principalmente cuánto se extiende el agua y cuánta velocidad superficial hay, pero no detalles verticales. Los CFD 3D, en cambio, se usan en dominios más acotados donde se necesita detalle fino: por ejemplo, el interior de una obra hidráulica, o un corto tramo alrededor de un puente, o un tramo de río de pocos cientos de metros pero con geometría complicada. Intentar modelar, digamos, 50 km de río en CFD 3D sería inviable en tiempo de cálculo, mientras que un 2D puede hacerlo razonablemente. En suma: 2D para lo macro, 3D para lo micro (en términos relativos).
• Coste computacional: Los modelos 2D son muchísimo más ligeros. Un cálculo 2D HEC-RAS de una inundación de 10 km puede correr en minutos u horas en un PC estándar, dependiendo de la resolución. Un modelo CFD 3D de un tramo de río de, digamos, 200 m con cierto detalle podría tardar horas o días en un ordenador potente, o requerir decenas de horas de CPU. Esto porque el número de celdas en 3D es ordenes de magnitud mayor (múltiples capas verticales) y el resolver Navier-Stokes con términos no lineales es más costoso que las ecuaciones simplificadas 2D. Por lo tanto, no siempre es práctico usar CFD para todo. Si nuestro objetivo puede cumplirse con un modelo 2D (por ejemplo, obtener tirantes y velocidades medias en una llanura de inundación para mapas de riesgo), es preferible usar 2D por eficiencia. El CFD 3D se reserva para esas zonas críticas donde se justifica el detalle extra a costa del tiempo de cálculo.
• Requerimiento de datos y experiencia: Un modelo 2D típicamente necesita datos “más simples”: un modelo digital del terreno, coeficientes de rugosidad (Manning) calibrados, y condiciones de caudal o nivel aguas arriba/abajo. Los modelos 3D requieren todo eso y más: por ejemplo, geometría interna 3D detallada (si es una estructura, hay que tener los planos para reproducirla en la malla), definición de condiciones de frontera más complejas (perfiles de velocidad 3D en la entrada, condiciones de salida que eviten reflexiones, etc.), y parámetros de control de malla, convergencia numérica, elección de modelo de turbulencia adecuado, etc. Hace falta un especialista en CFD para montar y calibrar correctamente un modelo 3D, mientras que muchos ingenieros hidráulicos con formación estándar pueden manejar HEC-RAS 2D tras un curso breve. En España y Latinoamérica, la formación en modelos 2D está bastante extendida (cursos de HEC-RAS, Iber, etc. son comunes), mientras que el CFD 3D suele ser impartido a niveles más avanzados o aprendido en el trabajo por especialistas. Esto significa que, para proyectos rutinarios, a veces no se dispone del personal o tiempo para un CFD, y se opta por soluciones 2D bien calibradas.
• Exactitud y capacidades: Un modelo 3D bien configurado puede, en teoría, representar más fenómenos físicos: por ejemplo, simular corrientes secundarias en curvas de río (que en 2D se parametrizan aproximando), capturar remolinos 3D importantes, mostrar distribución vertical de velocidades (útil en navegación, calidad de agua, etc.), predecir presiones transitorias (golpes de ariete locales, ondas de choque hidráulicas) que los 2D no modelan. Sin embargo, esto no significa que el CFD 3D sea siempre más “exacto” – su precisión depende de la calidad de la calibración y de la malla y modelo de turbulencia adecuados. Un modelo 2D calibrado con buenos datos de campo puede predecir con gran exactitud niveles de agua y caudales medios, mientras que un 3D mal calibrado podría dar resultados erróneos. En definitiva, cada uno tiene ventajas: los 2D son robustos para grandes escalas y proveen resultados globales coherentes (especialmente después de calibrar parámetros como Manning). Los 3D brindan riqueza de detalles y pueden aproximarse más a la física local del flujo, pero requieren validación y análisis cuidadoso de resultados (por ejemplo, a veces un CFD puede predecir zonas de recirculación que en realidad se disipan por efectos no modelados, etc.).

¿Cuándo usar uno u otro? En la práctica, muchos proyectos combinan ambas aproximaciones de forma complementaria. Por ejemplo, en el diseño de un puente sobre un río, se puede usar un modelo 2D (HEC-RAS/Iber) para modelar la inundación en un tramo amplio del río y obtener tirantes de diseño, y luego en la zona inmediata de las pilas hacer un modelo CFD 3D para examinar la distribución de velocidades alrededor de las pilas y estimar la socavación local. Otro ejemplo: en el diseño de una presa pequeña, se podría usar un modelo 1D/2D para verificar la capacidad del aliviadero en términos de caudal vertido y niveles en el embalse, y un CFD 3D para refinar el diseño del canal de descarga o la forma del cuenco disipador, identificando posibles regiones de cavitación o mala disipación de energía.

En términos de ventajas: el CFD 3D ofrece mayor detalle, capacidad de simular fenómenos complejos (turbulencia 3D, mezclas, etc.), y visualización avanzada (podemos obtener animaciones, campos de cualquier variable en todo el dominio). Por su parte, los modelos 2D ofrecen velocidad de cálculo, simplicidad de uso, y con calibración adecuada son muy fiables para variables integradas (nivel, caudal) en muchos casos. Como limitaciones, el 3D es pesado computacionalmente y exige mayor pericia; el 2D está limitado por sus supuestos (no aplicable si hay fuertes componentes verticales o gradientes en espesor del flujo) y no proporciona ciertos detalles locales.

En la actualidad, el desarrollo de software híbrido también está ocurriendo: por ejemplo, Flow-3D Hydro ofrece la opción de acoplar un modelo 2D con regiones 3D refinadas, de modo que partes del dominio se calculan con Navier-Stokes completo y otras con aguas someras, optimizando recursos. Esto indica la tendencia de aprovechar lo mejor de cada enfoque.

Consideraciones finales

La aplicación de modelos CFD en la ingeniería hidráulica ha pasado de ser una novedad a convertirse en una herramienta cotidiana de diseño y análisis. Gracias a los avances en computación, hoy es posible simular en 3D desde la corriente en un río alrededor de un puente hasta la disipación en un aliviadero de presa, obteniendo información detallada que ayuda a los ingenieros a tomar decisiones informadas.

No obstante, es importante entender cuándo y cómo utilizar el CFD. No es la panacea para todos los problemas: si un modelo más simple (1D/2D) puede resolver la pregunta de diseño con suficiente precisión, suele ser preferible por eficiencia. El CFD brilla en esas situaciones complejas donde la tridimensionalidad y la turbulencia del flujo juegan un papel crucial en el comportamiento hidráulico. En esos casos, invertir el tiempo en un modelo CFD riguroso proporciona un rigor técnico superior, evitando sorpresas en obra o en la operación de estructuras.

En España y Latinoamérica, el uso de CFD hidráulico se ha ido extendiendo, con profesionales cada vez más capacitados y software al alcance (incluyendo opciones open source). Los modelos 2D como HEC-RAS e Iber siguen siendo caballos de batalla para muchas aplicaciones (especialmente en estudios de inundabilidad a gran escala), mientras que los modelos CFD 3D se emplean de forma focalizada para refinar diseños y entender detalles finos. Ambos enfoques no son rivales, sino complementarios en la ingeniería hidráulica moderna.

En conclusión, los modelos CFD proporcionan un laboratorio virtual donde visualizar y cuantificar fenómenos hidráulicos con un nivel de detalle sin precedentes. Usados adecuadamente —y validados con datos físicos o experiencia—, son una pieza fundamental para lograr diseños hidráulicos más seguros, eficientes y optimizados, enriqueciendo el tradicional análisis hidrológico-hidráulico con la visión profunda que solo la simulación numérica tridimensional puede ofrecer.