Estudio de los efectos de la estratificación en la hidrodinámica de la confluencia de los ríos Marañón y Ucayali mediante un modelo tridimensional basado en la dinámica de fluidos computacional (CFD)

Abstract

La confluencia de los ríos Marañón y Ucayali, es clave en la dinámica fluvial amazónica, fue analizada mediante simulaciones numéricas tridimensionales no hidrostáticas en OpenFOAM, empleando técnicas de la dinámica de fluidos computacional (CFD) y el modelo de turbulencia Large Eddy Simulation (LES). El estudio se centró en el impacto de la estratificación por diferencias de densidad entre los ríos, que afecta procesos como la mezcla, formación de vórtices y la morfología del lecho. El modelo fue calibrado y validado con datos de campo recolectados en cinco secciones, incluyendo zonas aguas arriba y en la confluencia. Posteriormente, se evaluaron tres escenarios de estratificación, determinados por variaciones de temperatura superficial: en el Caso 1 el río Ucayali fue más denso, en el Caso 2 lo fue el río Marañón, y en el Caso 3 ambos tuvieron densidades similares. Los resultados muestran que la estratificación altera significativamente la interfaz de mezcla y los perfiles de velocidad, favoreciendo la aparición de vórtices tipo estela, Kelvin-Helmholtz y vórtices orientados al flujo (SOV). El mayor volumen de mezcla ocurrió en el Caso 2, mientras que en el Caso 1 se presentaron los mayores esfuerzos cortantes de lecho. El Caso 3, con mínima estratificación, mostró menor mezcla y esfuerzo de lecho, pero sí desarrolló vórtices Kelvin-Helmholtz en la interfaz de mezcla. Estos hallazgos evidencian que la estratificación regula los patrones de mezcla y distribución de corrientes, lo cual es fundamental para el diseño hidráulico, la gestión de sedimentos, la protección de infraestructuras ribereñas y la adaptación frente a eventos extremos.

The confluence of the Marañón and Ucayali rivers—critical to Amazonian fluvial dynamics—was analyzed using non-hydrostatic three-dimensional numerical simulations in OpenFOAM, employing computational fluid dynamics (CFD) techniques and the Large Eddy Simulation (LES) turbulence model. The study focused on the impact of density-driven stratification between rivers, which affects processes such as mixing, vortex formation, and bed morphology. The model was calibrated and validated with field data collected from five sections: two upstream and three within the confluence area. Three stratification scenarios were then evaluated based on surface temperature differences: in Case 1, the Ucayali river was denser; in Case 2, the Marañón river was denser; and in Case 3, both rivers had similar densities. Results show that stratification significantly alters the mixing interface and velocity profiles, promoting the formation of wake-type vortices, Kelvin-Helmholtz instabilities, and streamwise-oriented vortices (SOV). The highest mixing volume occurred in Case 2, while Case 1 exhibited the greatest bed shear stresses. Case 3, with minimal stratification, showed the lowest mixing and shear values but did generate Kelvin-Helmholtz vortices at the mixing interface. These findings demonstrate that stratification governs the spatial and temporal distribution of flow patterns, which is critical for hydraulic design, sediment management, riverbank infrastructure protection, and decision-making in response to extreme events such as flooding or rapid morphological changes.