1. Se presenta un estudio sobre la simulación del fenómeno del golpe de ariete mediante métodos numéricos como el método de las características y elementos finitos.
2. El golpe de ariete ocurre cuando se altera bruscamente el caudal en una tubería cerrada, generando oscilaciones en la presión y velocidad del fluido. Se describen las ecuaciones y condiciones iniciales que rigen el fenómeno.
3. Los métodos numéricos permiten variar parámetros como las condiciones de frontera y agregar
El documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías. Se define el golpe de ariete como una variación de presión causada por el movimiento oscilatorio del agua dentro de la tubería. Se explica el fenómeno tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, y se detalla el cálculo del valor de la celeridad y del tiempo de cierre de válvulas o parada de bombas.
El documento trata sobre el golpe de ariete en conducciones hidráulicas. Explica los diferentes tipos de cierre y cómo se propagan las ondas de presión. También analiza las fórmulas para calcular el aumento de presión debido al golpe de ariete en conducciones cortas y largas, y ofrece ejemplos numéricos de cálculos.
Este documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías. Explica que ocurre cuando se produce un cierre repentino del flujo en una tubería, generando oscilaciones de presión que pueden ser dañinas. Describe el proceso físico mediante diagramas, donde la energía cinética se convierte en energía potencial y viceversa, generando ondas de presión que se propagan a lo largo de la tubería. Finalmente, explica algunos métodos para calcular y mitigar estas sobrepresiones.
El golpe de ariete ocurre cuando se cierra rápidamente una válvula en una tubería, lo que genera una sobrepresión que puede ser 60-100 veces mayor que la presión normal. Esto puede causar roturas en la tubería o accesorios. Para prevenirlo, es necesario cerrar las válvulas gradualmente o usar dispositivos como tanques de aire, torres piezométricas o válvulas de muelle que absorban la onda de presión.
El documento describe el funcionamiento del ariete hidráulico, un dispositivo que bombea agua sin necesidad de energía externa. Aprovecha la energía cinética del agua al cerrarse rápidamente una válvula, creando un aumento de presión que permite elevar parte del agua a una altura mayor. Funciona mediante golpes continuos de presión en un tubo que transporta agua desde un río o manantial hasta un tanque superior. El documento explica los componentes clave y el principio físico del golpe de ariete que lo hace
Este documento trata sobre el cálculo del tiempo de descarga de tanques y recipientes. Explica las ecuaciones matemáticas que rigen este fenómeno y cómo calcular el tiempo de descarga para diferentes casos como tanques cilíndricos verticales con y sin cañería asociada. También analiza cómo afectan factores como el diámetro del tanque, la conexión de salida, y las pérdidas de carga a los tiempos de descarga. Finalmente, provee un ejemplo numérico que muestra cómo las pérdidas de carga en
Este documento presenta conceptos sobre dinámica de fluidos como la ecuación de Bernoulli y el efecto Venturi. Explica las energías relacionadas con el movimiento de fluidos y cómo se aplican estos conceptos a la resolución de problemas de sifones y salida de líquidos. También incluye una práctica de laboratorio para estudiar el efecto Venturi y su uso en la medida de caudales.
El documento presenta información sobre aplicaciones de la ecuación de Bernoulli, incluyendo el tubo de Venturi y tubo de Pitot. Explica que el tubo de Venturi se usa para medir la velocidad de flujo de un fluido aplicando la ecuación de Bernoulli entre dos puntos de diferente área. También describe que el tubo de Pitot sirve para medir la velocidad de flujo de un gas aplicando la ecuación de Bernoulli entre un punto de presión estática y uno de presión total. Finalmente, incluye ejercicios de aplicación sobre estos tem
El documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías. Se define el golpe de ariete como una variación de presión causada por el movimiento oscilatorio del agua dentro de la tubería. Se explica el fenómeno tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, y se detalla el cálculo del valor de la celeridad y del tiempo de cierre de válvulas o parada de bombas.
El documento trata sobre el golpe de ariete en conducciones hidráulicas. Explica los diferentes tipos de cierre y cómo se propagan las ondas de presión. También analiza las fórmulas para calcular el aumento de presión debido al golpe de ariete en conducciones cortas y largas, y ofrece ejemplos numéricos de cálculos.
Este documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías. Explica que ocurre cuando se produce un cierre repentino del flujo en una tubería, generando oscilaciones de presión que pueden ser dañinas. Describe el proceso físico mediante diagramas, donde la energía cinética se convierte en energía potencial y viceversa, generando ondas de presión que se propagan a lo largo de la tubería. Finalmente, explica algunos métodos para calcular y mitigar estas sobrepresiones.
El golpe de ariete ocurre cuando se cierra rápidamente una válvula en una tubería, lo que genera una sobrepresión que puede ser 60-100 veces mayor que la presión normal. Esto puede causar roturas en la tubería o accesorios. Para prevenirlo, es necesario cerrar las válvulas gradualmente o usar dispositivos como tanques de aire, torres piezométricas o válvulas de muelle que absorban la onda de presión.
El documento describe el funcionamiento del ariete hidráulico, un dispositivo que bombea agua sin necesidad de energía externa. Aprovecha la energía cinética del agua al cerrarse rápidamente una válvula, creando un aumento de presión que permite elevar parte del agua a una altura mayor. Funciona mediante golpes continuos de presión en un tubo que transporta agua desde un río o manantial hasta un tanque superior. El documento explica los componentes clave y el principio físico del golpe de ariete que lo hace
Este documento trata sobre el cálculo del tiempo de descarga de tanques y recipientes. Explica las ecuaciones matemáticas que rigen este fenómeno y cómo calcular el tiempo de descarga para diferentes casos como tanques cilíndricos verticales con y sin cañería asociada. También analiza cómo afectan factores como el diámetro del tanque, la conexión de salida, y las pérdidas de carga a los tiempos de descarga. Finalmente, provee un ejemplo numérico que muestra cómo las pérdidas de carga en
Este documento presenta conceptos sobre dinámica de fluidos como la ecuación de Bernoulli y el efecto Venturi. Explica las energías relacionadas con el movimiento de fluidos y cómo se aplican estos conceptos a la resolución de problemas de sifones y salida de líquidos. También incluye una práctica de laboratorio para estudiar el efecto Venturi y su uso en la medida de caudales.
El documento presenta información sobre aplicaciones de la ecuación de Bernoulli, incluyendo el tubo de Venturi y tubo de Pitot. Explica que el tubo de Venturi se usa para medir la velocidad de flujo de un fluido aplicando la ecuación de Bernoulli entre dos puntos de diferente área. También describe que el tubo de Pitot sirve para medir la velocidad de flujo de un gas aplicando la ecuación de Bernoulli entre un punto de presión estática y uno de presión total. Finalmente, incluye ejercicios de aplicación sobre estos tem
Este documento presenta conceptos clave sobre la dinámica de fluidos, incluyendo la rapidez de flujo de un fluido (caudal y flujo másico), la ecuación de continuidad, y la ecuación de Bernoulli sobre la conservación de la energía. Explica que la rapidez de flujo de volumen (caudal) es el volumen que fluye por unidad de tiempo, mientras que la rapidez de flujo de masa es la masa que fluye por unidad de tiempo. Además, la ecuación de continuidad establece que para
Este documento presenta los resultados de un experimento de laboratorio sobre la relación entre presión y elevación aplicando el principio de Torricelli. El experimento midió la presión necesaria para elevar agua en un garrafón de 37 cm a una altura de 50 cm. Los cálculos teóricos indicaron que se requería una presión de 0.1842 Psig, mientras que los resultados experimentales requirieron 0.2670 Psig. El experimento comprobó con éxito el principio de Torricelli.
Este documento presenta conceptos clave de mecánica de fluidos como la ecuación de continuidad y ecuación de Bernoulli. Explica casos típicos de flujo como flujo natural, controlado y bombeo. Luego, proporciona seis ejercicios para practicar el cálculo de presiones, velocidades y alturas de fluidos en sistemas que incluyen tanques, tuberías y sifones.
Este documento describe una práctica de laboratorio sobre el impacto de chorros de agua y la turbina Pelton. En la primera parte, se analiza el impacto de chorros de agua sobre placas planas, oblicuas y semiesféricas, midiendo la fuerza generada. En la segunda parte, se estudia el funcionamiento de una turbina Pelton, desarrollando sus curvas características de velocidad y eficiencia para determinar la más adecuada para cada sistema. El documento incluye temas teóricos, equipos, procedimientos y
El documento describe un estudio sobre el comportamiento del flujo de agua al salir de un orificio. Se midieron presiones y se tomó la trayectoria del chorro a diferentes caudales para calcular factores como el coeficiente de descarga. Los resultados mostraron que la velocidad varía en cada punto de la trayectoria debido a la gravedad y que existe una relación lineal entre el caudal y la diferencia de altura.
En el análisis y diseño de instalaciones hidráulicas se considera el comportamiento de la misma bajo condiciones estacionarias donde las magnitudes hidráulicas de la instalación (caudales y presiones) permanecen constantes en el tiempo; a esto debemos agregarle como invariables las condiciones de funcionamiento de la instalación: alturas de reservorio, grado de apertura de distribuidor, velocidad de giro de las turbina, etc.. La realidad indica que las instalaciónes hidráulica y dadas las caracteristicas del centro de consumo, sin sistemas dinámicos y nunca se encuentra en estado estacionario, ya que las condiciones de funcionamiento que determinan las variables hidráulicas como consecuencia de variaciones de carga al generador, varían en el tiempo. Debido a esto, el análisis o el diseño adecuados de una instalación pasa por conocer la respuesta temporal de las variables hidráulicas de la instalación con el fin de evitar situaciones indeseables; en este caso podemos mencionar como:
• Presiones excesivamente altas o excesivamente bajas.
• Flujo inverso.
• Movimiento y vibraciones de las tuberías.
• Velocidades excesivamente bajas.
• Problemas de regulacion en Centrales hidroelectricas.
Practica de laboratorio de mecanica de fluidosLuis Arteaga
El documento describe el tubo de Venturi, un dispositivo creado por Giovanni Battista Venturi para medir caudales en tuberías. Explica que mide la diferencia de presión entre la entrada y la garganta estrecha para calcular el caudal, y que usa conos convergentes y divergentes para acelerar y luego expandir el flujo. También presenta la teoría, ecuaciones y un procedimiento para usar un tubo de Venturi para medir caudales en un experimento práctico.
Este documento describe conceptos clave relacionados con la presión y el flujo de fluidos en tuberías, incluyendo la presión hidrostática, la presión hidrodinámica y la presión media. Explica la ecuación de continuidad y el principio de Bernoulli, que son fundamentales para calcular el flujo de fluidos en tuberías. También presenta un ejemplo numérico para calcular el caudal en un sistema de tuberías dadas las condiciones de presión y altura en diferentes puntos.
1) El documento presenta las ecuaciones fundamentales de la hidráulica, incluyendo la ecuación de continuidad, la ecuación de Bernoulli y la ecuación de impulso y cantidad de movimiento.
2) Resuelve varios problemas aplicando estas ecuaciones, como determinar velocidades y gastos en sistemas de tuberías y canales.
3) Explica que la ecuación de Bernoulli relaciona diferentes formas de energía como la presión, la altura, la velocidad y la energía cinética de un flujo de agua.
Este documento describe conceptos básicos de dinámica de fluidos como la ecuación de continuidad, la conservación de la masa, la ecuación de Bernoulli y el teorema de Torricelli. La ecuación de continuidad establece que el caudal es constante en una tubería si no hay generación o destrucción de masa. La ecuación de Bernoulli se deriva del principio de conservación de la energía y relaciona la presión, velocidad y elevación de un fluido. El teorema de Torricelli indica que la velocidad de salida
Este documento presenta los resultados de un experimento realizado en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica de la Universidad Peruana Los Andes en Huancayo, Perú para demostrar y comprobar el Teorema de Bernoulli. El experimento midió la velocidad, presión y altura en diferentes puntos de un flujo de agua a través de un equipo divergente. Los datos recolectados se analizaron y compararon para verificar las relaciones predichas por el teorema entre la velocidad, la presión y la altura. Las conclusiones fuer
1) El documento describe la ecuación de continuidad, la cual establece que la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un tiempo dado es constante si el flujo es constante.
2) También explica la ecuación de Bernoulli, la cual expresa que la energía total de un fluido se mantiene constante a lo largo de su recorrido si no hay pérdidas ni ganancias de energía.
3) Además, detalla los conceptos de número de Reynolds, capa límite, ecuación de cantidad de movimiento y diversos problemas relacion
Este documento presenta los detalles de una práctica de laboratorio sobre la ecuación de Bernoulli realizada por estudiantes de ingeniería química. El objetivo era obtener las presiones y pérdidas totales en diferentes puntos de un prototipo diseñado para verificar la ecuación. Se explican conceptos como el principio de Bernoulli, las restricciones y ganancias/pérdidas de energía. También se describe el procedimiento para aplicar la ecuación y los cálculos realizados con los datos experimentales para comprobar que los valores obtenidos en dist
Este documento presenta los resultados de un laboratorio de mecánica de fluidos realizado por estudiantes de ingeniería civil. El laboratorio incluyó experimentos para medir el tiempo de desagote de un balde con orificios a diferentes alturas y calcular la velocidad del agua saliendo de los orificios usando el teorema de Torricelli y Bernoulli. Los estudiantes también compararon los resultados teóricos con los datos experimentales y analizaron fenómenos como la caída libre y el efecto Venturi.
Este documento trata sobre mecánica de fluidos e incluye las ecuaciones de continuidad, Bernoulli y Venturi. La ecuación de continuidad establece que la tasa de flujo de volumen es la misma en cualquier punto de un flujo. La ecuación de Bernoulli relaciona la presión, velocidad y energía en un flujo. El medidor de Venturi mide la velocidad usando la diferencia de presión entre dos secciones de un tubo.
Este documento presenta una guía de estudio sobre dinámica de fluidos reales impartida por la Ing. Viviana Nahid. Explica los conceptos de coeficiente de Coriolis, ecuación de Bernoulli para fluidos reales, tipos de pérdidas de energía, números de Reynolds, y regímenes laminar y turbulento. También describe la experiencia de Reynolds para estudiar los diferentes regímenes de flujo.
1) El documento describe diferentes tipos de orificios y ecuaciones relacionadas con el flujo de líquidos a través de ellos. 2) También explica conceptos como los números de Reynolds, flujos laminar y turbulento, y coeficientes de velocidad, contracción y descarga. 3) Finalmente, presenta ecuaciones para calcular el gasto volumétrico, tiempo de descarga y determinar experimentalmente los coeficientes.
El documento describe tres experimentos realizados para calcular caudales usando diferentes tipos de vertederos y aliviaderos. El primer experimento usó vertederos triangulares para medir caudal y obtener coeficientes de descarga. El segundo usó vertederos rectangulares con los mismos objetivos. El tercer experimento usó aliviaderos para calcular pérdidas y obtener coeficientes de descarga usando dos métodos. Todos los experimentos buscaron comparar caudales teóricos y medidos.
Este documento presenta un estudio experimental sobre el fenómeno de separación de columna en sistemas de conducción de agua a presión. Se describe brevemente el fenómeno y se presenta un modelo teórico y ecuaciones para analizarlo. También se describe un modelo físico utilizado para realizar experimentos variando parámetros como los materiales de la tubería, la longitud, el caudal y la presión. Los resultados experimentales muestran que es posible alcanzar sobrepresiones mayores a las previstas teóricamente debido a reflexiones múltiples
Este documento describe un sistema de demostración para medir flujo utilizando diferentes tipos de medidores como venturímetros, rotámetros y placas de orificio. Explica el principio de Bernoulli y cómo se puede usar para calcular flujo basado en la diferencia de presión creada por estos dispositivos. El procedimiento involucra llenar tubos de medición, medir la presión en diferentes puntos y calcular el flujo usando ecuaciones que relacionan la diferencia de presión con la velocidad del fluido.
El golpe de ariete se produce cuando el flujo de un líquido dentro de una tubería cambia repentinamente, causando sobrepresiones y depresiones que pueden dañar la tubería. Se presenta con más frecuencia cuando se cierra rápidamente una válvula o cuando una bomba se detiene de forma imprevista. Diversos métodos como aumentar el tamaño de la tubería, agregar un efecto de volante al motor o usar múltiples bombas pueden ayudar a reducir los efectos del golpe de ariete.
Este documento presenta un resumen de los temas que componen un curso sobre cañerías industriales. El primer tema se enfoca en los materiales y métodos de fabricación de cañerías, incluyendo aceros, uniones y temperaturas/presiones. Los siguientes temas cubren diseño hidráulico, especificaciones, planos, fenómenos, aislamiento, cañerías subterráneas, corrosión, temperatura y diseño térmico, soportes y cañerías no metálicas.
Este documento presenta conceptos clave sobre la dinámica de fluidos, incluyendo la rapidez de flujo de un fluido (caudal y flujo másico), la ecuación de continuidad, y la ecuación de Bernoulli sobre la conservación de la energía. Explica que la rapidez de flujo de volumen (caudal) es el volumen que fluye por unidad de tiempo, mientras que la rapidez de flujo de masa es la masa que fluye por unidad de tiempo. Además, la ecuación de continuidad establece que para
Este documento presenta los resultados de un experimento de laboratorio sobre la relación entre presión y elevación aplicando el principio de Torricelli. El experimento midió la presión necesaria para elevar agua en un garrafón de 37 cm a una altura de 50 cm. Los cálculos teóricos indicaron que se requería una presión de 0.1842 Psig, mientras que los resultados experimentales requirieron 0.2670 Psig. El experimento comprobó con éxito el principio de Torricelli.
Este documento presenta conceptos clave de mecánica de fluidos como la ecuación de continuidad y ecuación de Bernoulli. Explica casos típicos de flujo como flujo natural, controlado y bombeo. Luego, proporciona seis ejercicios para practicar el cálculo de presiones, velocidades y alturas de fluidos en sistemas que incluyen tanques, tuberías y sifones.
Este documento describe una práctica de laboratorio sobre el impacto de chorros de agua y la turbina Pelton. En la primera parte, se analiza el impacto de chorros de agua sobre placas planas, oblicuas y semiesféricas, midiendo la fuerza generada. En la segunda parte, se estudia el funcionamiento de una turbina Pelton, desarrollando sus curvas características de velocidad y eficiencia para determinar la más adecuada para cada sistema. El documento incluye temas teóricos, equipos, procedimientos y
El documento describe un estudio sobre el comportamiento del flujo de agua al salir de un orificio. Se midieron presiones y se tomó la trayectoria del chorro a diferentes caudales para calcular factores como el coeficiente de descarga. Los resultados mostraron que la velocidad varía en cada punto de la trayectoria debido a la gravedad y que existe una relación lineal entre el caudal y la diferencia de altura.
En el análisis y diseño de instalaciones hidráulicas se considera el comportamiento de la misma bajo condiciones estacionarias donde las magnitudes hidráulicas de la instalación (caudales y presiones) permanecen constantes en el tiempo; a esto debemos agregarle como invariables las condiciones de funcionamiento de la instalación: alturas de reservorio, grado de apertura de distribuidor, velocidad de giro de las turbina, etc.. La realidad indica que las instalaciónes hidráulica y dadas las caracteristicas del centro de consumo, sin sistemas dinámicos y nunca se encuentra en estado estacionario, ya que las condiciones de funcionamiento que determinan las variables hidráulicas como consecuencia de variaciones de carga al generador, varían en el tiempo. Debido a esto, el análisis o el diseño adecuados de una instalación pasa por conocer la respuesta temporal de las variables hidráulicas de la instalación con el fin de evitar situaciones indeseables; en este caso podemos mencionar como:
• Presiones excesivamente altas o excesivamente bajas.
• Flujo inverso.
• Movimiento y vibraciones de las tuberías.
• Velocidades excesivamente bajas.
• Problemas de regulacion en Centrales hidroelectricas.
Practica de laboratorio de mecanica de fluidosLuis Arteaga
El documento describe el tubo de Venturi, un dispositivo creado por Giovanni Battista Venturi para medir caudales en tuberías. Explica que mide la diferencia de presión entre la entrada y la garganta estrecha para calcular el caudal, y que usa conos convergentes y divergentes para acelerar y luego expandir el flujo. También presenta la teoría, ecuaciones y un procedimiento para usar un tubo de Venturi para medir caudales en un experimento práctico.
Este documento describe conceptos clave relacionados con la presión y el flujo de fluidos en tuberías, incluyendo la presión hidrostática, la presión hidrodinámica y la presión media. Explica la ecuación de continuidad y el principio de Bernoulli, que son fundamentales para calcular el flujo de fluidos en tuberías. También presenta un ejemplo numérico para calcular el caudal en un sistema de tuberías dadas las condiciones de presión y altura en diferentes puntos.
1) El documento presenta las ecuaciones fundamentales de la hidráulica, incluyendo la ecuación de continuidad, la ecuación de Bernoulli y la ecuación de impulso y cantidad de movimiento.
2) Resuelve varios problemas aplicando estas ecuaciones, como determinar velocidades y gastos en sistemas de tuberías y canales.
3) Explica que la ecuación de Bernoulli relaciona diferentes formas de energía como la presión, la altura, la velocidad y la energía cinética de un flujo de agua.
Este documento describe conceptos básicos de dinámica de fluidos como la ecuación de continuidad, la conservación de la masa, la ecuación de Bernoulli y el teorema de Torricelli. La ecuación de continuidad establece que el caudal es constante en una tubería si no hay generación o destrucción de masa. La ecuación de Bernoulli se deriva del principio de conservación de la energía y relaciona la presión, velocidad y elevación de un fluido. El teorema de Torricelli indica que la velocidad de salida
Este documento presenta los resultados de un experimento realizado en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica de la Universidad Peruana Los Andes en Huancayo, Perú para demostrar y comprobar el Teorema de Bernoulli. El experimento midió la velocidad, presión y altura en diferentes puntos de un flujo de agua a través de un equipo divergente. Los datos recolectados se analizaron y compararon para verificar las relaciones predichas por el teorema entre la velocidad, la presión y la altura. Las conclusiones fuer
1) El documento describe la ecuación de continuidad, la cual establece que la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un tiempo dado es constante si el flujo es constante.
2) También explica la ecuación de Bernoulli, la cual expresa que la energía total de un fluido se mantiene constante a lo largo de su recorrido si no hay pérdidas ni ganancias de energía.
3) Además, detalla los conceptos de número de Reynolds, capa límite, ecuación de cantidad de movimiento y diversos problemas relacion
Este documento presenta los detalles de una práctica de laboratorio sobre la ecuación de Bernoulli realizada por estudiantes de ingeniería química. El objetivo era obtener las presiones y pérdidas totales en diferentes puntos de un prototipo diseñado para verificar la ecuación. Se explican conceptos como el principio de Bernoulli, las restricciones y ganancias/pérdidas de energía. También se describe el procedimiento para aplicar la ecuación y los cálculos realizados con los datos experimentales para comprobar que los valores obtenidos en dist
Este documento presenta los resultados de un laboratorio de mecánica de fluidos realizado por estudiantes de ingeniería civil. El laboratorio incluyó experimentos para medir el tiempo de desagote de un balde con orificios a diferentes alturas y calcular la velocidad del agua saliendo de los orificios usando el teorema de Torricelli y Bernoulli. Los estudiantes también compararon los resultados teóricos con los datos experimentales y analizaron fenómenos como la caída libre y el efecto Venturi.
Este documento trata sobre mecánica de fluidos e incluye las ecuaciones de continuidad, Bernoulli y Venturi. La ecuación de continuidad establece que la tasa de flujo de volumen es la misma en cualquier punto de un flujo. La ecuación de Bernoulli relaciona la presión, velocidad y energía en un flujo. El medidor de Venturi mide la velocidad usando la diferencia de presión entre dos secciones de un tubo.
Este documento presenta una guía de estudio sobre dinámica de fluidos reales impartida por la Ing. Viviana Nahid. Explica los conceptos de coeficiente de Coriolis, ecuación de Bernoulli para fluidos reales, tipos de pérdidas de energía, números de Reynolds, y regímenes laminar y turbulento. También describe la experiencia de Reynolds para estudiar los diferentes regímenes de flujo.
1) El documento describe diferentes tipos de orificios y ecuaciones relacionadas con el flujo de líquidos a través de ellos. 2) También explica conceptos como los números de Reynolds, flujos laminar y turbulento, y coeficientes de velocidad, contracción y descarga. 3) Finalmente, presenta ecuaciones para calcular el gasto volumétrico, tiempo de descarga y determinar experimentalmente los coeficientes.
El documento describe tres experimentos realizados para calcular caudales usando diferentes tipos de vertederos y aliviaderos. El primer experimento usó vertederos triangulares para medir caudal y obtener coeficientes de descarga. El segundo usó vertederos rectangulares con los mismos objetivos. El tercer experimento usó aliviaderos para calcular pérdidas y obtener coeficientes de descarga usando dos métodos. Todos los experimentos buscaron comparar caudales teóricos y medidos.
Este documento presenta un estudio experimental sobre el fenómeno de separación de columna en sistemas de conducción de agua a presión. Se describe brevemente el fenómeno y se presenta un modelo teórico y ecuaciones para analizarlo. También se describe un modelo físico utilizado para realizar experimentos variando parámetros como los materiales de la tubería, la longitud, el caudal y la presión. Los resultados experimentales muestran que es posible alcanzar sobrepresiones mayores a las previstas teóricamente debido a reflexiones múltiples
Este documento describe un sistema de demostración para medir flujo utilizando diferentes tipos de medidores como venturímetros, rotámetros y placas de orificio. Explica el principio de Bernoulli y cómo se puede usar para calcular flujo basado en la diferencia de presión creada por estos dispositivos. El procedimiento involucra llenar tubos de medición, medir la presión en diferentes puntos y calcular el flujo usando ecuaciones que relacionan la diferencia de presión con la velocidad del fluido.
El golpe de ariete se produce cuando el flujo de un líquido dentro de una tubería cambia repentinamente, causando sobrepresiones y depresiones que pueden dañar la tubería. Se presenta con más frecuencia cuando se cierra rápidamente una válvula o cuando una bomba se detiene de forma imprevista. Diversos métodos como aumentar el tamaño de la tubería, agregar un efecto de volante al motor o usar múltiples bombas pueden ayudar a reducir los efectos del golpe de ariete.
Este documento presenta un resumen de los temas que componen un curso sobre cañerías industriales. El primer tema se enfoca en los materiales y métodos de fabricación de cañerías, incluyendo aceros, uniones y temperaturas/presiones. Los siguientes temas cubren diseño hidráulico, especificaciones, planos, fenómenos, aislamiento, cañerías subterráneas, corrosión, temperatura y diseño térmico, soportes y cañerías no metálicas.
Este documento describe el método de los elementos finitos. Explica que este método divide un cuerpo en elementos discretos conectados por nodos, y utiliza ecuaciones matemáticas para encontrar aproximaciones a las tensiones y deformaciones dentro del cuerpo. También resume la historia del desarrollo del método de elementos finitos y cómo ha permitido que los ordenadores resuelvan problemas complejos de ingeniería.
This document describes a method for modeling a helical gear in SolidWorks using equations. The method involves:
1. Creating parameter sketches to define dimensions like module, number of teeth, etc.
2. Using formulas from reference materials to define parameters like pitch diameter, addendum circle, etc. in terms of the base parameters.
3. Extruding the gear teeth profile and adding a helix using formulas to relate dimensions like helix lead to parameters.
4. Adding all dimensions and formulas to the Equations dialog to create a fully parametric model where changing the base parameters updates all dependent dimensions.
This allows creating customizable helical gears without redrawing, by varying just a few
Presentación Análisis de Elementos Finitos en nuevos productos Ing. Ricardo RíosDiseño e Ingeniería
El documento describe el método de los elementos finitos para obtener soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales que gobiernan problemas de ingeniería y ciencias aplicadas. El método involucra dividir un dominio geométrico en elementos finitos más pequeños, asignar propiedades a los nodos, ensamblar una matriz y resolverla numéricamente para obtener valores aproximados como deflexiones, esfuerzos y temperaturas.
Solid works Simulation Bolted AssemblyDon Blanchet
This document discusses using finite element analysis to simulate bolted assemblies in Solidworks Simulation. It notes that the best way is to use the bolted connection joint tool, which accounts for variables like bolt torque, thread pitch, and strength. A sample analysis is described that examines joined brackets with no bolts, bolts added at different torque levels, and a field weld repair after bolt failure. The analysis found that all static loading cases were acceptable, with no plastic deformation predicted, but the recommended 25 ft-lb torque should be used for shock and vibration loading.
Este documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías, incluyendo una descripción del fenómeno, cómo calcular la velocidad de propagación de la onda de presión y el tiempo de cierre de válvulas o parada de bombas. También cubre métodos para calcular la sobrepresión producida y formas de reducir el efecto del golpe de ariete.
The document discusses the analysis of a plastic (PET) bottle using SOLIDWORKS. It includes:
1) Designing a PET bottle model and applying internal and external pressure loads to examine deformations.
2) Details of the bottle model including mass, volume, density, and material properties.
3) Analysis showing some PET bottle characteristics correlate to aesthetics and design quality, while others do not. Emphasizing characteristics related to aesthetics can improve market results.
4) Discussion of torsional loads and stresses applied to circular shafts, including derivation of the torsion formula relating torque, shear stress, and shaft geometry.
La Unión Europea ha propuesto un nuevo paquete de sanciones contra Rusia que incluye un embargo al petróleo ruso. El embargo se aplicaría gradualmente durante seis meses para el petróleo crudo y ocho meses para los productos refinados. Este paquete de sanciones requiere la aprobación unánime de los 27 estados miembros de la UE.
Este documento trata sobre el fenómeno del golpe de ariete en sistemas hidráulicos. Explica que el golpe de ariete ocurre cuando hay cambios repentinos en la velocidad o dirección del flujo de agua, causando fluctuaciones de presión que pueden dañar tuberías. Identifica algunas causas comunes como el arranque o paro de bombas, y el cierre rápido de válvulas. Finalmente, propone varias soluciones como el uso de válvulas de control automático, bombas de velocidad variable,
Esta unidad trata sobre la transferencia de cantidad de movimiento en fluidos. Explica conceptos clave como fluidos newtonianos y no newtonianos, viscosidad, número de Reynolds, y leyes de viscosidad. Los fluidos no newtonianos se clasifican en independientes o dependientes del tiempo, e incluyen fluidos de Bingham, pseudoplásticos, dilatantes y tixotrópicos. Estos fluidos tienen aplicaciones como amortiguadores y protección antisísmica.
Este documento introduce el Método de los Elementos Finitos (MEF) para problemas elípticos unidimensionales. Primero, formula el problema como un problema de minimización y uno variacional equivalentes. Luego, demuestra que estos problemas tienen una única solución. Finalmente, introduce el MEF para aproximar la solución mediante funciones lineales por tramos, lo que conduce a un sistema de ecuaciones algebraicas.
La Fundación PRODINTEC es una entidad privada sin ánimo de lucro ubicada en Gijón, Asturias, cuya misión es potenciar la competitividad de las empresas industriales aplicando avanzes tecnológicos. El documento describe cómo la Fundación utiliza el método de elementos finitos para ayudar a las empresas con el diseño y simulación de productos, lo que puede ahorrar costos y tiempo al eliminar la necesidad de prototipos físicos. Se proveen ejemplos de cómo se han realizado simulaciones para compañías como T
Design Automation - Simple Solid Works Solutions To Practical Programmatic Pa...Razorleaf Corporation
Design Automation Techniques (session 1) with SolidWorks 2009 and 2010 - Presented to Greenville (SC) SolidWorks User Group September 15, 2009 @ CU-ICAR
Una bomba de ariete utiliza la energía cinética de un golpe de ariete en un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior sin necesidad de energía externa. Funciona mediante 3 etapas: 1) el fluido fluye y se cierra la válvula, 2) la presión aumenta y se abre la válvula de retención, elevando el fluido, 3) la presión disminuye y se cierra la válvula de retención, completando el ciclo.
Este documento presenta un resumen histórico del desarrollo de la mecánica de fluidos. Comienza con las primeras contribuciones de Arquímedes, Leonardo da Vinci y otros, y describe los avances clave realizados por Newton, Euler, Bernoulli, Navier-Stokes, Reynolds y Prandtl. Explica conceptos como flujo laminar, turbulento y la teoría de la capa límite. Finalmente, aborda el desarrollo de la aerodinámica con la turbina de vapor y la propulsión a chorro.
Este documento presenta un resumen del método de elementos finitos para el análisis de vigas y marcos planos. Introduce conceptos básicos de álgebra matricial y vectorial, marco teórico de resistencia de materiales, definición y características de vigas y marcos, y los fundamentos del método de elementos finitos. Finalmente, describe el desarrollo de un programa computacional en Matlab que implementa el método de elementos finitos para resolver problemas de vigas y marcos planos.
Este documento describe el método de elementos finitos y su historia. Se divide la estructura en elementos finitos interconectados y se formulan ecuaciones para cada elemento, luego se combinan para obtener la solución completa. El ordenador juega un papel clave al resolver los grandes sistemas de ecuaciones generados. Los pasos generales incluyen discretizar la estructura, seleccionar los tipos de elementos, formular las ecuaciones y resolverlas.
El golpe de calor y el síncope por calor son ambos causados por una elevación de la temperatura corporal por encima de 40°C. Sin embargo, el síncope por calor implica una pérdida de la conciencia que no ocurre en el golpe de calor. Para tratar ambas condiciones, es importante enfriar rápidamente al paciente colocándolo en la sombra, aplicando compresas frías y quitándole la ropa. La prevención incluye beber suficientes líquidos, usar ropa ligera y no hacer ejercicio en las
El documento describe el fenómeno del golpe de ariete en tuberías, que ocurre cuando hay cambios bruscos en la velocidad del flujo de agua, como el cierre repentino de una válvula. Explica cómo se desarrollan las ecuaciones de cantidad de movimiento y continuidad para modelar el flujo transitorio y analizar problemas como el golpe de ariete. También presenta métodos para controlar la sobrecarga máxima de presión durante este fenómeno.
Este documento proporciona instrucciones para realizar un experimento de laboratorio utilizando un venturímetro para medir caudales. Explica el funcionamiento teórico del venturímetro y cómo medir caudales reales y velocidades. También describe cómo determinar coeficientes de descarga y velocidad, y observar el comportamiento de las presiones a través del venturímetro. El procedimiento detalla los pasos para configurar el equipo, tomar lecturas, y calcular caudales teóricos y reales.
Este documento describe una nueva aproximación para evaluar el fenómeno del golpe de ariete en tuberías. Actualmente, las ecuaciones comúnmente usadas producen resultados anómalos cuando se considera el estado inicial de presurización. La nueva aproximación propuesta incluye el estado de presurización inicial en las ecuaciones, simplificando el cálculo de las condiciones iniciales. Además, se realiza una revisión crítica de la deducción actual de las ecuaciones, señalando inconsistencias conceptuales.
Este documento presenta una propuesta metodológica alternativa para el diseño del cimacio de un vertedor rectangular. Describe las metodologías tradicional y alternativa, y las aplica a un ejemplo numérico para comparar los resultados. La metodología alternativa considera la velocidad crítica en lugar de la velocidad media, lo que produce un perfil de cimacio con un alcance medio mayor y por lo tanto más realista desde el punto de vista teórico. El documento concluye que la metodología alternativa basada en la velocidad
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Este documento presenta una introducción a la mecánica de fluidos. Explica brevemente la evolución histórica del campo, desde los primeros avances de Arquímedes y Leonardo da Vinci hasta las ecuaciones de Navier-Stokes y el concepto de número de Reynolds. También resume algunas aplicaciones clave de la mecánica de fluidos en áreas como la ingeniería, la generación de energía y el transporte. Finalmente, introduce conceptos básicos como fluido, modelo continuo, propiedades de los fluidos y bibliografía.
El documento resume la historia y conceptos fundamentales de la mecánica de fluidos. Comenzó con las primeras civilizaciones que desarrollaron sistemas de riego y navegación. Más tarde, científicos como Arquímedes establecieron los primeros principios científicos. En el siglo XX, Prandtl unificó la hidráulica práctica y la hidrodinámica teórica con la teoría de la capa límite. El documento también explica conceptos clave como flujo laminar, flujo turbulent
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Reporte practica 4 Ecuación de BernoulliBeyda Rolon
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Este documento trata sobre el flujo de fluidos en conductos. Explica que existen dos tipos de flujo: laminar y turbulento, dependiendo de si predominan las fuerzas viscosas o de inercia. Describe los esfuerzos turbulentos de Reynolds y presenta dos modelos para calcular la turbulencia: la viscosidad turbulenta de Boussineq y la longitud de mezcla de Prandtl. Finalmente, introduce el flujo estacionario en conductos y la ecuación de Darcy-Weisbach para calcular las pérdidas de carga.
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La práctica involucró el uso de una mesa hidrodinámica para medir flujos de agua a través de tuberías de diferentes materiales (galvanizado, cobre, PVC) y accesorios. Se midieron flujos volumétricos y caídas de presión, y los datos se utilizaron para calcular números de Reynolds, pérdidas de carga y otros parámetros. La conclusión fue que los cambios en los materiales de tubería, accesorios y válvulas afectaron las mediciones de presión.
Este artículo revisa el cálculo de sobrepresiones causadas por la parada de una bomba en tuberías de impulsión. Compara los modelos elásticos y rígidos para este análisis, delimitando sus campos de validez. Analiza las expresiones de Mendiluce ampliamente usadas, encontrando que en algunos casos proporcionan resultados aceptables mientras que en otros los errores pueden ser notables. Finalmente, presenta ejemplos que ilustran estos puntos y propone alternativas de cálculo.
Este documento describe una práctica de laboratorio sobre pérdidas de carga en tuberías. Presenta la teoría de pérdidas lineales y singulares, y describe la instalación experimental que incluye tuberías, válvulas, instrumentos de medición de caudal y presión, y elementos para medir pérdidas singulares. El objetivo es medir pérdidas de carga en diferentes configuraciones y comparar con modelos teóricos.
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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.