Análisis Teórico Experimental del Fenómeno del Golpe de Ariete en Tuberías

Abstract

Uno de los problemas de mayor envergadura en Mecánica de los Fluídos, en aplicaciones de ingeniería, es el que se refiere al golpe de ariete producido fundamentalmente tanto en ductos abiertos o tuberías, por la interrupción brusca del flujo de fluído por medio de una válvula de control localizada en el interior de las mismas. La determinación de la magnitud del golpe de ariete depende de las propiedades elásticas del material de la pared del ducto o de la tubería, del diámetro interior de ellos, del fluído en circulación y de la velocidad inicial de este. En esta tesis nos referimos al análisis del fenómeno anotado, para tuberías con área de su sección transversal constante a lo largo de su longitud, en donde el fluído que circula es agua. Además, se incluye, en el análisis matemático, las pérdidas hidráulicas por fricción para tiempos de cierres de válvulas de control rápidos, localizada ésta en la descarga de la tubería. No muchos de los problemas del golpe de ariete que incluían pérdidas por fricción habían podido ser resueltos, ya que los cambios violentos de flujo implicaban consideraciones matemáticas complejas, lo cual provocaba la no inclusión de las pérdidas en la deducción de las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento del fenómeno. Sin embargo, este efecto algunas veces no puede ser pasado por alto en casos de cierre de válvulas lentos o con valores altos de factores de fricción. Los métodos existentes para la estimación de las pérdidas por fricción son inadecuados por el hecho de que ellos están basados sobre algunas aproximaciones incompletas. Algunos autores han venido desarrollando métodos gráficos por medio de los cuales el efecto de las pérdidas puede ser aproximado, por colocación de una o más obstrucciones hipotéticas en determinados puntos a lo largo de la tubería. Esos métodos producen repentinas caídas de presión en cada una de las obstrucciones, lo cual no es el caso real. Si bien la exactitud puede ser aumentada por el incremento del número de obstrucciones, ésto trae consigo la complejidad de la solución gráfica. Algunas soluciones analíticas para el golpe de ariete con fricción han sido también hechas pero usando una aproximación lineal para el efecto de la fricción, lo cual también es diferente de la situación real. Esas soluciones generalmente involucran operaciones matemáticas difíciles o series tediosas. En esta tesis, el problema ha sido abordado a partir de las ecuaciones diferenciales parciales básicas sin recurrir a métodos gráficos, transformaciones matemáticas indirectas o aproximaciones lineales. Los resultados teóricos obtenidos muestran una aceptable aproximación con los resultados experimentales encontrados de los diversos ensayos hechos, variando una de las variables principales del fenómeno, que es la velocidad inicial del flujo de agua. Esta aproximación de resultados a la que estamos haciendo referencia tiene su explicación principal en el hecho de que en el análisis teórico no ha sido factible considerar todas las variables que acompañan en un ensayo de golpe de ariete, debido a complejidades matemáticas que involucra esto.