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Aproximándonos al Golpe de Ariete mediante el Método de los
Elementos Finitos
Alicia E. Carbonell1
, Irma M. Benitez1
, Liliana E. Gimenez1
, Mauricio C. Friedrich2
(1) U.T.N – Facultad Regional Paraná - U.A.D.E.R.- Facultad de Ciencia y Tecnología
alicarbo@yahoo.com.ar ; manuelabenitez@frp.utn.edu.ar ; lilianagimenez@yahoo.com.ar
(2) U.T.N.– Facultad Regional Paraná – U.N.E.R. – Facultad de Ingeniería
mclfriedrich@infovia.com.ar
RESUMEN: Se presenta el abordaje del “fenómeno golpe de ariete” desde distintas disciplinas,
involucrando Mecánica de los Fluidos, Matemática Avanzada y Computación. El modelo real se basa en
las ecuaciones de balance de masa, cantidad de movimiento y de energía. Se hacen distintos supuestos
para lograr modelos dinámicos simples y que tengan una correlación aceptable con los resultados
experimentales publicados. Se simula el fenómeno con Métodos Numéricos implementados
computacionalmente con software libre. Se presentan los fundamentos del método de las características
(MOC), el que citan la mayoría de los estudios actuales, como referente para la comparación. Otra
formulación equivalente, es la ecuación de onda para la presión y la velocidad. Esta es una formulación
hiperbólica de segundo orden, con condiciones de frontera. Se usa una malla para discretizar el espacio de
trabajo, el método de diferencias finitas para aproximar la derivada segunda espacial y se transforma el
problema en un sistema de n ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden temporal. Las
incógnitas son los valores de los parámetros de interés en los nodos. Se resuelve con Runge Kutta de
orden 5, 6. El conjunto de librerías en C, ALBERTA, disponibles como software libre se usan como
caja negra, excepto por la asistencia de programadores. Trabaja con Elementos Finitos (FEM) calculando
la solución aproximada a la solución exacta en un espacio funcional de dimensión finita. Realiza las
iteraciones básicas del mallado adaptativo, con tiempo estacionario: ensambla y resuelve el sistema
discreto, calcula el error estimado y en función de este adapta la malla refinando a agrandándola.
PALABRAS CLAVES: Golpe de Ariete, modelo, resolutor, numérico, computacional.
1 EL FENÓMENO DEL GOLPE DE
ARIETE
1.1. Características del fenómeno,
antecedentes e hipótesis para su estudio
El fenómeno del golpe de ariete, característico de
flujo no permanente de líquidos, se presenta en
las conducciones cerradas cuando se altera
bruscamente el caudal. Consiste en la aparición
de movimiento oscilatorio del fluido con la
correspondiente variación ondulatoria de la
presión en gran magnitud. El cierre brusco de un
obturador o una válvula, la detención de una
bomba o el arranque de una turbina, son causa
suficiente para su generación y es tan importante
la solicitación consecuente sobre la instalación
que han sido numerosos los casos que pueden
citarse en los que la imprevisión acerca de su
presencia ha determinado la inutilización
definitiva de instalaciones muy importantes y
muy costosas. Por tratarse del caso extremo en
cuanto a la magnitud de las consecuencias y
porque es la referencia que se toma en los
cálculos y proyectos como margen de seguridad
se analiza en este estudio lo que se define como
“cierre instantáneo”.
Se supone que en una tubería de transporte el
obturador o válvula estrangulan la corriente en un
intervalo de tiempo tan pequeño que puede ser
considerado “cero”.
En el análisis de este fenómeno participa una
variada gama de aspectos tanto propios de la
física como la estática del sólido, la resistencia de
los materiales, la cinemática y la dinámica de los
fluidos, lo que lo convierte en un ejemplo típico
de integración de conocimientos en el campo de
la ingeniería. Además, dado que las aplicaciones
derivadas del desarrollo de sistemas de
protección, como de optimización de recursos
materiales, ofrecen un campo vasto de
posibilidades. Pueden dar lugar a estudios y
aplicaciones de novísimas metodologías de
cálculo.
El estudio del problema y su solución fueron
desarrollados inicialmente por N. Joukowsky
(1898) y Allievi (1902) aunque su desarrollo
analítico, similar al de la cuerda vibrante de
D´Alembert se presenta en 1913. Posteriormente
Gibson (1920) amplía la solución para cierre
lineal del obturador y Schnyder y Bergeron
desarrollan una resolución por método gráfico..
Zhukovsky (ó Joukowsky) (1847-1921), físico
ruso presentó públicamente sus primeras
conclusiones en 1898 sobre la hipótesis que
denominó “teoría elástica” del fenómeno. Se basa
en el principio de conservación de la energía,
admitiendo la deformabilidad de los líquidos ante
gradientes elevados de presión, y la perfecta
elasticidad del material de la tubería. Supone
entonces que toda la energía cinética que posee la
masa fluida en el instante inicial se transforma
luego del cierre, por una parte en energía de
deformación de la tubería que se expande por el
incremento de la presión interna, y por la otra en
trabajo de compresión del fluido por el mismo
efecto. En cuanto a los resultados de la aplicación
de esta teoría se puede señalar que sus resultados
se aproximan sensiblemente a los que arroja la
experiencia, y que en la fase inicial y cuando la
presión original es elevada pueden resultar
valores un 20-30% mayores que los obtenidos por
cálculo. Esta diferencia podría adjudicarse a que,
con elevados gradientes de presión, K crece
sensiblemente y a que el material que constituye
el conducto reacciona retardadamente con el
aumento brusco de la carga.
Los aportes mas reciente han sido las
simulaciones y la aplicación de métodos
numéricos. Se pueden citar los trabajos
realizado por Waylie y Streeter y, entre otros, a
Wiggert et al. sobre el método de las
características.
En la actualidad se han hecho numerosas
investigaciones, la mayoría usa el método de las
características combinado con las diferencias
finitas, o elementos finitos. Se puede citar los
trabajos en FEM de Kochupillai et al. Tijsseling
presenta un estudio basado en la interacción del
fluido y la estructura de la cañería.
Sobre la base de las hipótesis anteriores, las
ecuaciones a modelar, tienen como incógnitas a
p = p(x,t) y V = V (x,t) la presión y la velocidad
de un elemento de fluido.
Una de las fórmulas se deriva de la segunda ley
de Newton, suponiendo dirección horizontal del
movimiento:
0
D2.
|V|fV
+
x
p
ρ
1
+
t
V
=L1 =
∂
∂
∂
∂
(1)
Y la otra, de las ecuaciones de continuidad
aplicada a un volumen de control
x
V
a.+
t
p
=L 2
2
∂
∂
ρ
∂
∂
= 0 (2)
L1 y L2 involucran las siguientes constantes: ρ es
la masa por unidad de volumen, K el módulo de
elasticidad volumétrico del fluido , D es
el diámetro de la cañería, E es el módulo elástico
del material que compone el conducto, e es el
espesor de la pared del conducto, f es el factor de
fricción de la pared. La celeridad de la onda de
presión en el medio fluido es a, donde:
, la densidad del aguaρ = 1000 3
m
kg
y su módulo de elasticidad: K= 2
9
m
N
*10*2.704 .
Tabla1. Valores del Módulo de Elasticidad para
algunos materiales.
Modulo de elasticidad E
PVC 2.4- 2.75
plomo 4.8- 17
acero 200- 212
1.2. Descripción teórica del comportamiento
de los parámetros del fenómeno
En las secuencias que siguen al cierre rápido de la
válvula en el extremo de aguas abajo de la cañería
que parte de un depósito de altura H, la presión
teórica esperada es la especificada en la Figura 1.
Figura1. Característica de la presión en función
del tiempo.
En la Figura 1, se muestra un sistema ortogonal
cartesiano en el cual se representan las presiones
esperadas en función del tiempo transcurrido. En
las abscisas se toma como origen el valor de la
presión en el obturador un instante antes del
cierre. Se marca en la figura la variación teórica
de la presión en puntos situados en la sección del
obturador y en un punto situado en la mitad de la
longitud del conducto.
Se tiene cierre rápido de una válvula cuando el
tiempo requerido para la obturación, tc , es menor
que el transcurrido desde el inicio del fenómeno
hasta el primer retorno de la onda de presión. Esto
es: < 2 . Los parámetros fundamentales son la
velocidad del fluido, la presión interna del
conducto y el diámetro de la tubería, durante el
período de tiempo que dura el ciclo del proceso
que es T = 4L/a. Donde el valor de la celeridad de
la onda está acotada por la velocidad del sonido
en el medio fluido es a.
La resolución del problema requiere establecer las
características de cierre del obturador ya que con
ello se tendrá la variación de la velocidad hasta el
cierre total.
El valor de la velocidad del sonido en el fluido es
el valor límite máximo que puede adoptar la
velocidad de la onda de presión en la tubería real,
que no es absolutamente rígida. En el agua y en
condiciones normales esta velocidad es 1435 m/s.
1.3. Problema a modelar
Figura 2. Esquema para teoría inelástica
Para este trabajo, se presenta un modelo de
simulación del fenómeno transitorio con las
siguientes condiciones de frontera y de inicio:
Al momento de cierre, t = 0, la velocidad del
fluido en la cañería es V0 = H*g*2 , y en la
válvula se lleva inmediatamente a cero. La
presión en la cañería es P0= H*g*ρ . En el
momento del cierre se produce un aumento
brusco de presión, según la teoría elástica,
0
V*a*P ρ=Δ , que será la amplitud de la onda
de presión en la cañería, V( L, t ) = 0 para t 0≥ .
Se toma un valor de celeridad de la onda
a=1200
s
m . La cañería dónde se simula el
período transitorio, tiene una longitud L = 600 m,
y es horizontal. El tanque de agua tiene una altura
H = 40 m, y se especifica en la Figura 2.
2 MÉTODOS NUMÉRICOS PARA
MODELAR EL FENÓMENO
0.1. Método de las características  
Los modelos numéricos permiten entender de
manera eficiente el comportamiento de la
velocidad y la presión en el período transitorio e
ir agregando otras variables en función de
complejizar los estudios.
Se pueden variar las condiciones de frontera para
diferentes casos como cierres rápidos o lentos e ir
incorporando los términos que se han
despreciado.
Estas posibilidades generan una flexibilidad
inigualable frente a las rígidas soluciones teóricas
con las cuales se obtienen resultados de las
variables del fenómeno.
El método de las características es ampliamente
usado en este problema y está aceptado como un
buen modelador del fenómeno y sirve en general
como referente para otros métodos.
Figura 3. Malla x-t para el método de las
características
De las ecuaciones (1) y (2) la combinación lineal:
L = L1 + λ L2 = 0 (3)
se verifica para cualquier valor real de λ.
Si en particular y si la ecuación
(3) resulta:
(4)
que es válida solamente para las condiciones
antes mencionadas.
Haciendo un mallado del espacio [0 , L],
dividiéndola en n partes de ancho Δx y tomando
Δt = Δx / a, en los puntos de las diagonales de la
Figura 3 se cumple la ecuación (4).
Normalmente estas ecuaciones se expresan en
función de la altura piezométrica y el caudal
según las relaciones: y V=
Integrando las ecuaciones (4), en un triángulo del
mallado x-t, desde A a P, y desde B a P, según
Figura 4, se obtienen las relaciones que
determinan el caudal y la altura piezométrica del
punto P en el tiempo t, en función de los valores
correspondientes a los nodos laterales, A y B en
un tiempo anterior.
Figura 4. Triangulo de referencia del mallado x-t
Para generalizar, lo que sucede en los nodos
interiores de toda la malla, se relaciona el nodo A
con el i - 1, el nodo B con el i + 1 y el nodo P
con el i-ésimo. Se llega a determinar las
ecuaciones de caudal y altura piezométrica para
cada uno de los nodos intermedios en el tiempo t,
en función de la información en los nodos
laterales en el tiempo t - Δt.
Para tiempos t > 0, para obtener la información
en los nodos laterales hace falta en cada caso una
ecuación adicional específica para cada borde.
Con las condiciones iniciales para el problema
formuladas en la sección 1.3, se obtiene para los
distintos tiempos las funciones de la presión y
velocidad en función del espacio.
0.2. Método de líneas
Derivando las ecuaciones (1) respecto de x y (2)
respecto de t y despejando, se obtiene la ecuación
de onda para la presión. Para simplificar el
problema suponemos la fricción f = 0 en el
período transitorio. El problema de la ecuación
de la onda en una dimensión, es una ecuación
hiperbólica.
)t,x(
x
p
)t,x(
t
p
2
2
2
2
∂
∂
=
∂
∂
, en 0 < x < 1 , t > 0 (5)
Para las condiciones del problema planteado en la
sección 1.3:
p(L, 0) = 3.36 2
7
.
10
sm
kg
,
=
∂
∂
)0,L(
t
p
2
7
s.m
kg
a
h
32920010x36.3 −
, 0 ≤ x < L
p ( x, 0 ) = 2
s
km
329200 ,
0)0,( =
∂
∂
x
t
p
, 0 ≤ x < L,
Dividimos el intervalo [0, L] en n partes, tal que
el incremento espacial sea h =
n
L
x =Δ . Se
construye una malla de n+1 nodos.
Para poder comparar con el método de las
características elegimos
a
h
t =Δ . El valor de la
presión en el nodo i –ésimo es )t,x(p)t(p ii = .
En cada nodo interior se aproxima la ecuación
diferencial usando diferencias finitas:
2
1ii1i
2
i
2
h
)t(P)t(P*2)t(P
)t(
dt
Pd +− +−
= , (6)
con ni1 ≤≤ . La aplicación de la ecuación en los
nodos interiores genera n ecuaciones con
incógnitas, donde )t(Pi es una aproximación a
)t(pi . El error cometido es )h( 2
ϑ
El sistema de ecuaciones equivale a la siguiente
ecuación matricial:
P’’= A*P+B (7)
en cada tiempo t , donde A es una matriz de
bandas
P’’ = ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
)(2
2
t
dt
Pd i
, P = ( ))(tPi ,
⎟⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
=
210..000
12.1.0..00
012.1...00
..............
00..121
00..0121
000...012
*
h
a
A 2
2
P
A B
x
t
B =
⎟⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−1n
0
2
2
P
0
0
...
0
0
P
h
a
Haciendo un cambio de variables: P = Z1, P’=Z2,
la ecuaión (7) se transforma en:
(8)
Esta ecuación se resuelve con el método de
Runge Kutta usando Octave con la función
ode45. Se fuerza el método a trabajar con los
mismos intervalos de tiempo usados en el método
de la característica.
Se obtienen de esta manera los valores de Z1 que
son los valores de la presión en función del
espacio para cada uno de los tiempos fijados.
2.3. Modelo de caja negra: ALBERTA
ALBERTA, es un conjunto de librerías
programadas en código C. Es software disponible
on line y es libre, construído por matemáticos de
origen alemán.
Se trabaja en Linux y hasta el momento no tiene
una interfaz gráfica amigable. Es programable.
Sirve para resolver los problemas particulares, y
conocer cada proceso en esta simulación. Se
trabaja de manera análoga a como se prepara un
vehículo de competición, al que hay que hacerle
arreglos especiales a cada una de las partes para
generar el mejor prototipo.
Trabaja con elementos finitos. A diferencia de la
mayoría de los enlatados disponibles en el
mercado, para usarlo hay que conocer el método
de elementos finitos, saber programar o tener un
equipo de trabajo dónde halla un programador, y
haber recorrido las librerías disponibles. En la
Figura 5, se presenta un resultado gráfico en un
instante dado de tiempo.
Figura 5. Salidas gráficas de ALBERTA
3 FACTORES QUE MODIFICAN LA
TEORÍA Y QUE PEUDEN SER
INCORPORADOS A LOS MODELOS
En el análisis desarrollado precedentemente se ha
idealizado las características tanto del fluido
como de la tubería por lo que al contrastar los
resultados obtenidos por la teoría con los que se
dan en la realidad surgen para la consideración
los siguientes factores:
a) viscosidad del fluido,
b) respuesta inmediata del material a la carga
súbita,
c) límite de vacío y presión de vapor del
líquido,
d) cierre de la válvula en tiempo finito, rápido y
no precisamente instantáneo,
e) elasticidad imperfecta del conducto,
sin despreciar otros que pudieran mencionarse
pero que son sin duda de mucha menor
importancia.
Un análisis sucinto de cada influencia para tener
en cuenta en la presión resultante p = p(t).
a) El hecho de que se trate de fluido real,
de viscosidad no nula, es la causa de que se
produzcan pérdidas hidráulicas tanto
primarias (viscosas) como secundarias
(localizadas) en los puntos singulares de la
conducción. Esto modifica la conservación
de la amplitud de la onda transformando el
movimiento armónico simple en armónico
amortiguado.
b) El material no reacciona inmediatamente
de forma tal que su tensión normal en la
pared del tubo (delgada) sea la
correspondiente a un bajo gradiente de carga
(casi estática) sino que se aproxima
realmente al impacto. En el diagrama de
presión esto de mostrará con un valor inicial
que ha de superar el obtenido con la teoría
elástica.
c) En la representación de la variación de la
presión contra la válvula respecto del tiempo
se toma como línea de base la que
corresponde a la presión del fluido en el
conducto al momento de producirse el cierre,
y a éste supuestamente instantáneo. La
diferencia resultante de sustraer a dicha
presión el valor calculado nunca puede ser
inferior al que corresponde al vacío absoluto,
presión cero, por lo queda determinado este
valor como el mínimo absoluto. Como se
trata de un líquido real, al descender la
presión y alcanzar un valor equivalente al de
la presión de vapor de dicho líquido se
produce cavitación (“cavidades”
consecuentes del cambio de fase líquida a
fase vapor). Por lo tanto es realmente el valor
de presión de vapor del líquido,
correspondiente a la temperatura a que se
encuentra, el límite inferior de la presión
mientras dure el fenómeno.
d) Al no ser instantáneo el cierre, ocurren
simultáneamente dos efectos: se atenúa el
efecto de impacto de la carga brusca por una
parte, y se proyecta en el tiempo el aumento
de presión aunque el valor máximo resultante
resulte inalterado. Aún así, la presión
máxima resultante siempre será algo mayor
que la que resulta de sumar a la presión de
base el incremento calculado con la fórmula
de Joukowsky.
e) La hipótesis de la perfecta elasticidad del
conducto en toda su extensión no es cierta en
los casos prácticos. Es más, la existencia de
juntas, piezas especiales, válvulas y
accesorios en general alejan de manera
importante la hipótesis inicial. El efecto
consecuente es el de sumar al efecto de
amortiguamiento de la amplitud de onda en
el movimiento armónico como también
influenciar en el valor de la velocidad de la
velocidad de desplazamiento de la
perturbación (onda de presión) por
diferencias en el valor del módulo elástico en
distintos segmentos y que en la teoría se
supuso uniforme en toda la extensión. De
todas maneras, la variación del período 4L/c
en la práctica resulta casi imperceptible.
El diagrama resultante, considerando los factores
descriptos precedentemente, podría adoptar una
forma como la que se indica en la fig. 4.
4 PROTECCIÓN DEL CONDUCTO A
INCORPORAR EN LA MODELIZACIÓN DEL
GOLPE DE ARIETE
Como debe ser en todos aquellos estudios y
modelizaciones de fenómenos que se presenten en
el proyecto, construcción, operación y
mantenimiento de equipos e instalaciones propias
del campo de la ingeniería, todo lo que antecede
debe servir al conocimiento, análisis y aplicación
den alguna de las etapas mencionadas.
La protección de instalaciones frente a este
fenómeno de Golpe de Ariete es de tal
importancia que no se debieran realizar obras de
conducción de fluidos o aprovechamientos
hidráulicos de cualquier tipo donde la posible
producción y consecuencias de este fenómeno no
estén debidamente analizada. Si bien las
sobrepresiones consecuentes pueden significar un
enorme riesgo sobre la integridad de la
conducción y sus instalaciones complementarias,
casi puede afirmarse que es mas importante aún el
riesgo de colapso por aplastamiento como
consecuencia del vacío en la fase negativa, sabido
es que las cañerías y conductos se construyen
para resistir presiones internas y de ahí su escasa
resistencia a colapsar por la baja rigidez
transversal que oponen al tener pequeño espesor
de pared.
Según sea el caso particular y solo a efecto
informativo de pueden mencionar las siguientes
posibilidades en cuanto a la forma de realizar la
protección:
a) Chimenea de equilibrio,
b) Amortiguador neumático ó tanque de
oscilación,
c) Válvula de seguridad ó de alivio,
d) Diafragma de ruptura.
e) Válvulas de aire
Según las características de las instalaciones y los
riesgos mayores, las posibilidades de montaje y
operación como así también los compromisos de
servicio. Se describe brevemente cada tipo.
a) La chimenea de equilibrio es una
alternativa que está condicionada a la
magnitud de la columna de presión que se
desea limitar. Es una solución eficiente en la
protección de tuberías forzadas de
alimentación a máquinas en presas de altura
media, o en cañerías de impulsión de poca
altura de elevación que descargan estaciones
elevadoras de sistemas de desagües. Los
esquemas indican ambas alternativas en
cuanto al lugar de emplazamiento y altura
necesaria.
b) El amortiguador neumático consiste en
un cilindro hermético, conectado por la parte
inferior a la tubería de impulsión, y que se
encuentra parcialmente ocupado por el
líquido que se está transportando. El resto del
volumen del cilindro está ocupado por aire a
la misma presión de impulsión, o sea
comprimido respecto del aire atmosférico. Se
instala de forma tal que se active frente a la
fase negativa del fenómeno (depresión). Ante
la disminución de la presión en el conducto
el aire se expande y expulsa el líquido
contenido en el cilindro hacia aquél logrando
con ello atenuar la amplitud de la depresión.
Como contrapartida, la onda reflejada que
arribará a la válvula de retención en el
semiperíodo siguiente estará atenuada. Ante
la posibilidad cierta de fuga de aire del
cilindro, que está dotado de válvula de
seguridad a la sobrepresión, se mantiene la
presión mediante compresores accionados
automáticamente.
c) Las válvulas de seguridad ó de alivio son
en general dispositivos de protección donde
la presión sobre el obturador es
contrarrestada mediante muelles elásticos y
que deben ser calibradas para el caso
particular. Las hay de varios tipos según sea
el fabricante y es conveniente que, cuando se
trate de líquidos turbios o con sólidos en
suspensión, se efectúen purgas a intervalos
regulares para asegurar la respuesta correcta
ante la presencia circunstancial del
fenómeno. Para ello deben estar dotadas del
elemento de accionamiento adecuado como
elemento estándar.
d) Los diafragmas de ruptura son
membranas colocadas como si fuesen bridas
ciegas y que están constituidas de
determinado material y dimensiones que
colapse cuando la presión supera el valor
para el que ha sido construido. Al romperse
la membrana fluye líquido por una descarga
y se alivia la presión lográndose con ello la
protección deseada. Una válvula accionada
manual ó automáticamente interrumpe la
fuga de líquido y permite la reposición del
diafragma dañado por uno nuevo y luego de
esto se procede a la apertura reanudándose de
esta manera el servicio de la instalación. Es
muy económica solución y no requiere de
mantenimiento ni operaciones periódicas.
e) Las válvulas de aire son elementos
imprescindibles en todos aquellos casos en
que pueda preverse depresión en la
conducción respecto de la presión
atmosférica. Son dispositivos sencillos y
robustos donde el cierre hermético se
produce por la presión resultante, sobre el
borde circular del orificio de ventilación, del
empuje hidrostático sobre un elemento
revestido de un elastómero ó material similar.
En general el obturador es una esfera rígida
flotante pero puede haberlo de otras formas,
cilíndrico por ejemplo. Un caso particular de
válvula de aire han sido los hidrantes que
regularmente se han colocado en las redes de
distribución de agua potable. La función en
estos casos es doble: por una parte la purga
de aire en las cañerías de distribución cuando
se restituye el servicio luego de estarlo
interrumpido por trabajos en la red y por otra
servir a la provisión de agua para la extinción
del fuego en incendios.
5 REFERENCIAS
Franzini, J. B., Finnemore, E. J. Mecánica de
Fluidos con Aplicaciones en Ingeniería,
Novena Edición, Mcgraw-Hill Interamericana,
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Cuarta Edición, Ed. Prentice-Hall, Mexico,
2006.
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Netherlands, Bury St Edmunds, UK: Professional
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pp. 323-335, April 2000
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los Elementos Finitos, Ed. Mcgraw-Hill,
Mexico, 1994.

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Golpe de ariete

  • 1. Aproximándonos al Golpe de Ariete mediante el Método de los Elementos Finitos Alicia E. Carbonell1 , Irma M. Benitez1 , Liliana E. Gimenez1 , Mauricio C. Friedrich2 (1) U.T.N – Facultad Regional Paraná - U.A.D.E.R.- Facultad de Ciencia y Tecnología alicarbo@yahoo.com.ar ; manuelabenitez@frp.utn.edu.ar ; lilianagimenez@yahoo.com.ar (2) U.T.N.– Facultad Regional Paraná – U.N.E.R. – Facultad de Ingeniería mclfriedrich@infovia.com.ar RESUMEN: Se presenta el abordaje del “fenómeno golpe de ariete” desde distintas disciplinas, involucrando Mecánica de los Fluidos, Matemática Avanzada y Computación. El modelo real se basa en las ecuaciones de balance de masa, cantidad de movimiento y de energía. Se hacen distintos supuestos para lograr modelos dinámicos simples y que tengan una correlación aceptable con los resultados experimentales publicados. Se simula el fenómeno con Métodos Numéricos implementados computacionalmente con software libre. Se presentan los fundamentos del método de las características (MOC), el que citan la mayoría de los estudios actuales, como referente para la comparación. Otra formulación equivalente, es la ecuación de onda para la presión y la velocidad. Esta es una formulación hiperbólica de segundo orden, con condiciones de frontera. Se usa una malla para discretizar el espacio de trabajo, el método de diferencias finitas para aproximar la derivada segunda espacial y se transforma el problema en un sistema de n ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden temporal. Las incógnitas son los valores de los parámetros de interés en los nodos. Se resuelve con Runge Kutta de orden 5, 6. El conjunto de librerías en C, ALBERTA, disponibles como software libre se usan como caja negra, excepto por la asistencia de programadores. Trabaja con Elementos Finitos (FEM) calculando la solución aproximada a la solución exacta en un espacio funcional de dimensión finita. Realiza las iteraciones básicas del mallado adaptativo, con tiempo estacionario: ensambla y resuelve el sistema discreto, calcula el error estimado y en función de este adapta la malla refinando a agrandándola. PALABRAS CLAVES: Golpe de Ariete, modelo, resolutor, numérico, computacional. 1 EL FENÓMENO DEL GOLPE DE ARIETE 1.1. Características del fenómeno, antecedentes e hipótesis para su estudio El fenómeno del golpe de ariete, característico de flujo no permanente de líquidos, se presenta en las conducciones cerradas cuando se altera bruscamente el caudal. Consiste en la aparición de movimiento oscilatorio del fluido con la correspondiente variación ondulatoria de la presión en gran magnitud. El cierre brusco de un obturador o una válvula, la detención de una bomba o el arranque de una turbina, son causa suficiente para su generación y es tan importante la solicitación consecuente sobre la instalación que han sido numerosos los casos que pueden citarse en los que la imprevisión acerca de su presencia ha determinado la inutilización definitiva de instalaciones muy importantes y muy costosas. Por tratarse del caso extremo en cuanto a la magnitud de las consecuencias y porque es la referencia que se toma en los cálculos y proyectos como margen de seguridad se analiza en este estudio lo que se define como “cierre instantáneo”. Se supone que en una tubería de transporte el obturador o válvula estrangulan la corriente en un intervalo de tiempo tan pequeño que puede ser considerado “cero”. En el análisis de este fenómeno participa una variada gama de aspectos tanto propios de la física como la estática del sólido, la resistencia de los materiales, la cinemática y la dinámica de los fluidos, lo que lo convierte en un ejemplo típico de integración de conocimientos en el campo de la ingeniería. Además, dado que las aplicaciones derivadas del desarrollo de sistemas de protección, como de optimización de recursos materiales, ofrecen un campo vasto de posibilidades. Pueden dar lugar a estudios y aplicaciones de novísimas metodologías de cálculo.
  • 2. El estudio del problema y su solución fueron desarrollados inicialmente por N. Joukowsky (1898) y Allievi (1902) aunque su desarrollo analítico, similar al de la cuerda vibrante de D´Alembert se presenta en 1913. Posteriormente Gibson (1920) amplía la solución para cierre lineal del obturador y Schnyder y Bergeron desarrollan una resolución por método gráfico.. Zhukovsky (ó Joukowsky) (1847-1921), físico ruso presentó públicamente sus primeras conclusiones en 1898 sobre la hipótesis que denominó “teoría elástica” del fenómeno. Se basa en el principio de conservación de la energía, admitiendo la deformabilidad de los líquidos ante gradientes elevados de presión, y la perfecta elasticidad del material de la tubería. Supone entonces que toda la energía cinética que posee la masa fluida en el instante inicial se transforma luego del cierre, por una parte en energía de deformación de la tubería que se expande por el incremento de la presión interna, y por la otra en trabajo de compresión del fluido por el mismo efecto. En cuanto a los resultados de la aplicación de esta teoría se puede señalar que sus resultados se aproximan sensiblemente a los que arroja la experiencia, y que en la fase inicial y cuando la presión original es elevada pueden resultar valores un 20-30% mayores que los obtenidos por cálculo. Esta diferencia podría adjudicarse a que, con elevados gradientes de presión, K crece sensiblemente y a que el material que constituye el conducto reacciona retardadamente con el aumento brusco de la carga. Los aportes mas reciente han sido las simulaciones y la aplicación de métodos numéricos. Se pueden citar los trabajos realizado por Waylie y Streeter y, entre otros, a Wiggert et al. sobre el método de las características. En la actualidad se han hecho numerosas investigaciones, la mayoría usa el método de las características combinado con las diferencias finitas, o elementos finitos. Se puede citar los trabajos en FEM de Kochupillai et al. Tijsseling presenta un estudio basado en la interacción del fluido y la estructura de la cañería. Sobre la base de las hipótesis anteriores, las ecuaciones a modelar, tienen como incógnitas a p = p(x,t) y V = V (x,t) la presión y la velocidad de un elemento de fluido. Una de las fórmulas se deriva de la segunda ley de Newton, suponiendo dirección horizontal del movimiento: 0 D2. |V|fV + x p ρ 1 + t V =L1 = ∂ ∂ ∂ ∂ (1) Y la otra, de las ecuaciones de continuidad aplicada a un volumen de control x V a.+ t p =L 2 2 ∂ ∂ ρ ∂ ∂ = 0 (2) L1 y L2 involucran las siguientes constantes: ρ es la masa por unidad de volumen, K el módulo de elasticidad volumétrico del fluido , D es el diámetro de la cañería, E es el módulo elástico del material que compone el conducto, e es el espesor de la pared del conducto, f es el factor de fricción de la pared. La celeridad de la onda de presión en el medio fluido es a, donde: , la densidad del aguaρ = 1000 3 m kg y su módulo de elasticidad: K= 2 9 m N *10*2.704 . Tabla1. Valores del Módulo de Elasticidad para algunos materiales. Modulo de elasticidad E PVC 2.4- 2.75 plomo 4.8- 17 acero 200- 212 1.2. Descripción teórica del comportamiento de los parámetros del fenómeno En las secuencias que siguen al cierre rápido de la válvula en el extremo de aguas abajo de la cañería que parte de un depósito de altura H, la presión teórica esperada es la especificada en la Figura 1. Figura1. Característica de la presión en función del tiempo.
  • 3. En la Figura 1, se muestra un sistema ortogonal cartesiano en el cual se representan las presiones esperadas en función del tiempo transcurrido. En las abscisas se toma como origen el valor de la presión en el obturador un instante antes del cierre. Se marca en la figura la variación teórica de la presión en puntos situados en la sección del obturador y en un punto situado en la mitad de la longitud del conducto. Se tiene cierre rápido de una válvula cuando el tiempo requerido para la obturación, tc , es menor que el transcurrido desde el inicio del fenómeno hasta el primer retorno de la onda de presión. Esto es: < 2 . Los parámetros fundamentales son la velocidad del fluido, la presión interna del conducto y el diámetro de la tubería, durante el período de tiempo que dura el ciclo del proceso que es T = 4L/a. Donde el valor de la celeridad de la onda está acotada por la velocidad del sonido en el medio fluido es a. La resolución del problema requiere establecer las características de cierre del obturador ya que con ello se tendrá la variación de la velocidad hasta el cierre total. El valor de la velocidad del sonido en el fluido es el valor límite máximo que puede adoptar la velocidad de la onda de presión en la tubería real, que no es absolutamente rígida. En el agua y en condiciones normales esta velocidad es 1435 m/s. 1.3. Problema a modelar Figura 2. Esquema para teoría inelástica Para este trabajo, se presenta un modelo de simulación del fenómeno transitorio con las siguientes condiciones de frontera y de inicio: Al momento de cierre, t = 0, la velocidad del fluido en la cañería es V0 = H*g*2 , y en la válvula se lleva inmediatamente a cero. La presión en la cañería es P0= H*g*ρ . En el momento del cierre se produce un aumento brusco de presión, según la teoría elástica, 0 V*a*P ρ=Δ , que será la amplitud de la onda de presión en la cañería, V( L, t ) = 0 para t 0≥ . Se toma un valor de celeridad de la onda a=1200 s m . La cañería dónde se simula el período transitorio, tiene una longitud L = 600 m, y es horizontal. El tanque de agua tiene una altura H = 40 m, y se especifica en la Figura 2. 2 MÉTODOS NUMÉRICOS PARA MODELAR EL FENÓMENO 0.1. Método de las características   Los modelos numéricos permiten entender de manera eficiente el comportamiento de la velocidad y la presión en el período transitorio e ir agregando otras variables en función de complejizar los estudios. Se pueden variar las condiciones de frontera para diferentes casos como cierres rápidos o lentos e ir incorporando los términos que se han despreciado. Estas posibilidades generan una flexibilidad inigualable frente a las rígidas soluciones teóricas con las cuales se obtienen resultados de las variables del fenómeno. El método de las características es ampliamente usado en este problema y está aceptado como un buen modelador del fenómeno y sirve en general como referente para otros métodos. Figura 3. Malla x-t para el método de las características De las ecuaciones (1) y (2) la combinación lineal: L = L1 + λ L2 = 0 (3) se verifica para cualquier valor real de λ.
  • 4. Si en particular y si la ecuación (3) resulta: (4) que es válida solamente para las condiciones antes mencionadas. Haciendo un mallado del espacio [0 , L], dividiéndola en n partes de ancho Δx y tomando Δt = Δx / a, en los puntos de las diagonales de la Figura 3 se cumple la ecuación (4). Normalmente estas ecuaciones se expresan en función de la altura piezométrica y el caudal según las relaciones: y V= Integrando las ecuaciones (4), en un triángulo del mallado x-t, desde A a P, y desde B a P, según Figura 4, se obtienen las relaciones que determinan el caudal y la altura piezométrica del punto P en el tiempo t, en función de los valores correspondientes a los nodos laterales, A y B en un tiempo anterior. Figura 4. Triangulo de referencia del mallado x-t Para generalizar, lo que sucede en los nodos interiores de toda la malla, se relaciona el nodo A con el i - 1, el nodo B con el i + 1 y el nodo P con el i-ésimo. Se llega a determinar las ecuaciones de caudal y altura piezométrica para cada uno de los nodos intermedios en el tiempo t, en función de la información en los nodos laterales en el tiempo t - Δt. Para tiempos t > 0, para obtener la información en los nodos laterales hace falta en cada caso una ecuación adicional específica para cada borde. Con las condiciones iniciales para el problema formuladas en la sección 1.3, se obtiene para los distintos tiempos las funciones de la presión y velocidad en función del espacio. 0.2. Método de líneas Derivando las ecuaciones (1) respecto de x y (2) respecto de t y despejando, se obtiene la ecuación de onda para la presión. Para simplificar el problema suponemos la fricción f = 0 en el período transitorio. El problema de la ecuación de la onda en una dimensión, es una ecuación hiperbólica. )t,x( x p )t,x( t p 2 2 2 2 ∂ ∂ = ∂ ∂ , en 0 < x < 1 , t > 0 (5) Para las condiciones del problema planteado en la sección 1.3: p(L, 0) = 3.36 2 7 . 10 sm kg , = ∂ ∂ )0,L( t p 2 7 s.m kg a h 32920010x36.3 − , 0 ≤ x < L p ( x, 0 ) = 2 s km 329200 , 0)0,( = ∂ ∂ x t p , 0 ≤ x < L, Dividimos el intervalo [0, L] en n partes, tal que el incremento espacial sea h = n L x =Δ . Se construye una malla de n+1 nodos. Para poder comparar con el método de las características elegimos a h t =Δ . El valor de la presión en el nodo i –ésimo es )t,x(p)t(p ii = . En cada nodo interior se aproxima la ecuación diferencial usando diferencias finitas: 2 1ii1i 2 i 2 h )t(P)t(P*2)t(P )t( dt Pd +− +− = , (6) con ni1 ≤≤ . La aplicación de la ecuación en los nodos interiores genera n ecuaciones con incógnitas, donde )t(Pi es una aproximación a )t(pi . El error cometido es )h( 2 ϑ El sistema de ecuaciones equivale a la siguiente ecuación matricial: P’’= A*P+B (7) en cada tiempo t , donde A es una matriz de bandas P’’ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ )(2 2 t dt Pd i , P = ( ))(tPi , ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 210..000 12.1.0..00 012.1...00 .............. 00..121 00..0121 000...012 * h a A 2 2 P A B x t
  • 5. B = ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −1n 0 2 2 P 0 0 ... 0 0 P h a Haciendo un cambio de variables: P = Z1, P’=Z2, la ecuaión (7) se transforma en: (8) Esta ecuación se resuelve con el método de Runge Kutta usando Octave con la función ode45. Se fuerza el método a trabajar con los mismos intervalos de tiempo usados en el método de la característica. Se obtienen de esta manera los valores de Z1 que son los valores de la presión en función del espacio para cada uno de los tiempos fijados. 2.3. Modelo de caja negra: ALBERTA ALBERTA, es un conjunto de librerías programadas en código C. Es software disponible on line y es libre, construído por matemáticos de origen alemán. Se trabaja en Linux y hasta el momento no tiene una interfaz gráfica amigable. Es programable. Sirve para resolver los problemas particulares, y conocer cada proceso en esta simulación. Se trabaja de manera análoga a como se prepara un vehículo de competición, al que hay que hacerle arreglos especiales a cada una de las partes para generar el mejor prototipo. Trabaja con elementos finitos. A diferencia de la mayoría de los enlatados disponibles en el mercado, para usarlo hay que conocer el método de elementos finitos, saber programar o tener un equipo de trabajo dónde halla un programador, y haber recorrido las librerías disponibles. En la Figura 5, se presenta un resultado gráfico en un instante dado de tiempo. Figura 5. Salidas gráficas de ALBERTA 3 FACTORES QUE MODIFICAN LA TEORÍA Y QUE PEUDEN SER INCORPORADOS A LOS MODELOS En el análisis desarrollado precedentemente se ha idealizado las características tanto del fluido como de la tubería por lo que al contrastar los resultados obtenidos por la teoría con los que se dan en la realidad surgen para la consideración los siguientes factores: a) viscosidad del fluido, b) respuesta inmediata del material a la carga súbita, c) límite de vacío y presión de vapor del líquido, d) cierre de la válvula en tiempo finito, rápido y no precisamente instantáneo, e) elasticidad imperfecta del conducto, sin despreciar otros que pudieran mencionarse pero que son sin duda de mucha menor importancia. Un análisis sucinto de cada influencia para tener en cuenta en la presión resultante p = p(t). a) El hecho de que se trate de fluido real, de viscosidad no nula, es la causa de que se produzcan pérdidas hidráulicas tanto primarias (viscosas) como secundarias (localizadas) en los puntos singulares de la conducción. Esto modifica la conservación de la amplitud de la onda transformando el movimiento armónico simple en armónico amortiguado. b) El material no reacciona inmediatamente de forma tal que su tensión normal en la pared del tubo (delgada) sea la correspondiente a un bajo gradiente de carga (casi estática) sino que se aproxima realmente al impacto. En el diagrama de presión esto de mostrará con un valor inicial que ha de superar el obtenido con la teoría elástica. c) En la representación de la variación de la presión contra la válvula respecto del tiempo se toma como línea de base la que corresponde a la presión del fluido en el conducto al momento de producirse el cierre, y a éste supuestamente instantáneo. La diferencia resultante de sustraer a dicha presión el valor calculado nunca puede ser inferior al que corresponde al vacío absoluto, presión cero, por lo queda determinado este valor como el mínimo absoluto. Como se trata de un líquido real, al descender la presión y alcanzar un valor equivalente al de la presión de vapor de dicho líquido se produce cavitación (“cavidades” consecuentes del cambio de fase líquida a fase vapor). Por lo tanto es realmente el valor
  • 6. de presión de vapor del líquido, correspondiente a la temperatura a que se encuentra, el límite inferior de la presión mientras dure el fenómeno. d) Al no ser instantáneo el cierre, ocurren simultáneamente dos efectos: se atenúa el efecto de impacto de la carga brusca por una parte, y se proyecta en el tiempo el aumento de presión aunque el valor máximo resultante resulte inalterado. Aún así, la presión máxima resultante siempre será algo mayor que la que resulta de sumar a la presión de base el incremento calculado con la fórmula de Joukowsky. e) La hipótesis de la perfecta elasticidad del conducto en toda su extensión no es cierta en los casos prácticos. Es más, la existencia de juntas, piezas especiales, válvulas y accesorios en general alejan de manera importante la hipótesis inicial. El efecto consecuente es el de sumar al efecto de amortiguamiento de la amplitud de onda en el movimiento armónico como también influenciar en el valor de la velocidad de la velocidad de desplazamiento de la perturbación (onda de presión) por diferencias en el valor del módulo elástico en distintos segmentos y que en la teoría se supuso uniforme en toda la extensión. De todas maneras, la variación del período 4L/c en la práctica resulta casi imperceptible. El diagrama resultante, considerando los factores descriptos precedentemente, podría adoptar una forma como la que se indica en la fig. 4. 4 PROTECCIÓN DEL CONDUCTO A INCORPORAR EN LA MODELIZACIÓN DEL GOLPE DE ARIETE Como debe ser en todos aquellos estudios y modelizaciones de fenómenos que se presenten en el proyecto, construcción, operación y mantenimiento de equipos e instalaciones propias del campo de la ingeniería, todo lo que antecede debe servir al conocimiento, análisis y aplicación den alguna de las etapas mencionadas. La protección de instalaciones frente a este fenómeno de Golpe de Ariete es de tal importancia que no se debieran realizar obras de conducción de fluidos o aprovechamientos hidráulicos de cualquier tipo donde la posible producción y consecuencias de este fenómeno no estén debidamente analizada. Si bien las sobrepresiones consecuentes pueden significar un enorme riesgo sobre la integridad de la conducción y sus instalaciones complementarias, casi puede afirmarse que es mas importante aún el riesgo de colapso por aplastamiento como consecuencia del vacío en la fase negativa, sabido es que las cañerías y conductos se construyen para resistir presiones internas y de ahí su escasa resistencia a colapsar por la baja rigidez transversal que oponen al tener pequeño espesor de pared. Según sea el caso particular y solo a efecto informativo de pueden mencionar las siguientes posibilidades en cuanto a la forma de realizar la protección: a) Chimenea de equilibrio, b) Amortiguador neumático ó tanque de oscilación, c) Válvula de seguridad ó de alivio, d) Diafragma de ruptura. e) Válvulas de aire Según las características de las instalaciones y los riesgos mayores, las posibilidades de montaje y operación como así también los compromisos de servicio. Se describe brevemente cada tipo. a) La chimenea de equilibrio es una alternativa que está condicionada a la magnitud de la columna de presión que se desea limitar. Es una solución eficiente en la protección de tuberías forzadas de alimentación a máquinas en presas de altura media, o en cañerías de impulsión de poca altura de elevación que descargan estaciones elevadoras de sistemas de desagües. Los esquemas indican ambas alternativas en cuanto al lugar de emplazamiento y altura necesaria. b) El amortiguador neumático consiste en un cilindro hermético, conectado por la parte inferior a la tubería de impulsión, y que se encuentra parcialmente ocupado por el líquido que se está transportando. El resto del volumen del cilindro está ocupado por aire a la misma presión de impulsión, o sea comprimido respecto del aire atmosférico. Se instala de forma tal que se active frente a la fase negativa del fenómeno (depresión). Ante la disminución de la presión en el conducto el aire se expande y expulsa el líquido contenido en el cilindro hacia aquél logrando con ello atenuar la amplitud de la depresión. Como contrapartida, la onda reflejada que arribará a la válvula de retención en el semiperíodo siguiente estará atenuada. Ante la posibilidad cierta de fuga de aire del cilindro, que está dotado de válvula de seguridad a la sobrepresión, se mantiene la presión mediante compresores accionados automáticamente. c) Las válvulas de seguridad ó de alivio son en general dispositivos de protección donde la presión sobre el obturador es contrarrestada mediante muelles elásticos y
  • 7. que deben ser calibradas para el caso particular. Las hay de varios tipos según sea el fabricante y es conveniente que, cuando se trate de líquidos turbios o con sólidos en suspensión, se efectúen purgas a intervalos regulares para asegurar la respuesta correcta ante la presencia circunstancial del fenómeno. Para ello deben estar dotadas del elemento de accionamiento adecuado como elemento estándar. d) Los diafragmas de ruptura son membranas colocadas como si fuesen bridas ciegas y que están constituidas de determinado material y dimensiones que colapse cuando la presión supera el valor para el que ha sido construido. Al romperse la membrana fluye líquido por una descarga y se alivia la presión lográndose con ello la protección deseada. Una válvula accionada manual ó automáticamente interrumpe la fuga de líquido y permite la reposición del diafragma dañado por uno nuevo y luego de esto se procede a la apertura reanudándose de esta manera el servicio de la instalación. Es muy económica solución y no requiere de mantenimiento ni operaciones periódicas. e) Las válvulas de aire son elementos imprescindibles en todos aquellos casos en que pueda preverse depresión en la conducción respecto de la presión atmosférica. Son dispositivos sencillos y robustos donde el cierre hermético se produce por la presión resultante, sobre el borde circular del orificio de ventilación, del empuje hidrostático sobre un elemento revestido de un elastómero ó material similar. En general el obturador es una esfera rígida flotante pero puede haberlo de otras formas, cilíndrico por ejemplo. Un caso particular de válvula de aire han sido los hidrantes que regularmente se han colocado en las redes de distribución de agua potable. La función en estos casos es doble: por una parte la purga de aire en las cañerías de distribución cuando se restituye el servicio luego de estarlo interrumpido por trabajos en la red y por otra servir a la provisión de agua para la extinción del fuego en incendios. 5 REFERENCIAS Franzini, J. B., Finnemore, E. J. Mecánica de Fluidos con Aplicaciones en Ingeniería, Novena Edición, Mcgraw-Hill Interamericana, México, 1999. Giles, R. V., Evett, J. B., Mecánica de los Fluidos e Hidráulica, Tercera Edición, Mcgraw-Hill Interamericana, México, 1994. Johnson, C. Numerical solution of partial differential equations by the finite element method, Studentlitteratur, Lund, Sweden, 1995. Karra, C. et al., Finite element análisis of a fluid structure interacction in flexible pipe line, African Journal of Science and tecnology, Science and Engineering series vo l8, Nª 1, pp. 63-70. Kochupillai, J. et al. A new finite element formulation base don the velocity of flor for water hammer problems, Elsevier, India, 2004 Leslie, D.J., and Tijsseling, A.S., Travelling discontinuities in waterhammer theory: attenuation due to friction, In Proceedings of the 8th International Conference on Pressure Surges, BHR Group, The Hague, 2000. Mott, R. L., Mecánica de Fluidos Aplicada, Cuarta Edición, Ed. Prentice-Hall, Mexico, 2006. Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., Fundamentos de Mecánica de Fluidos, Ed. Limusa, Mexico, 1999. Netherlands, Bury St Edmunds, UK: Professional Engineering Publishing, ISBN 1-86058- 250-8, pp. 323-335, April 2000 Potter, M. C., Wiggert, D. C., Mecánica de Fluidos, Tercera Edición, Ed. Thomson, Mexico, 2002. Schmidt, A. et al. Design of Adaptative Finite Element Software. The finite element tollbox ALBERTA. Springer Berlin Heidelberg, Germany, 2005 Streeter, V., Wylie, B., Mecánica de Fluidos, Ed. Mcgraw-Hill, México, 2000. White, F. M.. Fluid Mechanics, Third Edition, Ed. Mcgraw-Hill, Mexico, 1994. Wylie, E.B., Free air in liquid transient flow. Proceedings of the 3rd International Conference on Pressure, Surges, BHRA, Canterbury, England, pp.27 – 42, 1980. Wylie, E.B. Simulation of vaporous and gaseous cavitation. Journal of Fluids Engineering, ASME, 106(3),pp. 307 – 311, 1984. Wylie, E.B., and Streeter, V.L. Fluid Transients in Systems. Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 1993. Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., El Método de los Elementos Finitos, Ed. Mcgraw-Hill, Mexico, 1994.