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CÁLCULO Y SIMULACIÓN DE TRANSITORIOS HIDRÁULICOS A PRESIÓN MEDIANTE EL PROGRAMA ALLIEVI 1. PROBLEMÁTICA DE LOS TRANSITORIOS HIDRÁULICOS. CAUSAS Y EFECTOS
Enrique Cabrera Marcet Vicent Espert Alemany Valencia, junio de 2016
ITA Universitat Politècnica de València
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Importancia de los transitorios
INTRODUCCIÓN Las instalaciones hidráulicas se dimensionan desde el análisis estacionario. Generalmente reproduciendo la situación más frecuente y/o la de mayor solicitación. La operación de las instalaciones hidráulicas se realiza a partir de la modelación cuasi-estacionaria (periodo extendido). Cambios lentos y siempre controlados.
Pero la seguridad y fiabilidad de las instalaciones se garantiza en las condiciones más extremas: Cambio de régimen (transitorios hidráulicos)
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Importancia de los transitorios
INTRODUCCIÓN ¿QUÉ CONOCIMIENTOS VAMOS A ADQUIRIR EN ESTE BREVE CURSO?
El catálogo
1. ¿Qué es un transitorio hidráulico? 2. ¿Qué tipos de transitorios se contemplan? 3. Estrategias para modelar los transitorios 4. ¿Cómo establecer las fronteras entre los modelos? 5. ¿Qué ecuaciones los modelan? Balances fundamentales 6. ¿Qué conceptos y parámetros son relevantes? 7. Una introducción a las soluciones numéricas 8. ¿Qué papel juega el aire atrapado en un transitorio? 9. ¿Qué es la resonancia hidráulica? 10. ¿Qué es la intrusión patógena? 11. Otras campos de interés para el estudio de transitorios 12. Conocer el funcionamiento de los distintos dispositivos antiariete. 13. Saber escoger bien el antiariete que convenga a cada caso 14. ¿Cómo estudiar un problema concreto con ALLIEVI? 15. Conocer BIEN las posibilidades que ALLIEVI ofrece 16. ¿Cómo interpretar adecuadamente los resultados? 17. Y EJEMPLOS, MUCHOS EJEMPLOS,… 3
En síntesis, CONCEPTOS FÍSICOS E HIDRAULICOS (y no tanto matemáticos)
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Importancia de los transitorios
¿Qué es un transitorio hidráulico? Causas y efectos Es el cambio de un flujo en el tiempo, por pequeño que sea. Causas: Actuaciones que modifiquen el flujo. Por ejemplo: 1. Cierre de una válvula 2. Apertura de una válvula 3. Parada de una bomba (o turbina) 4. Arranque de una bomba (o turbina) 5. Rotura de una tubería 6. Aumento de la demanda 7. Disminución de la demanda Efectos. Los derivados de transformarse la energía cinética en elástica (en ocasiones, cuando es posible, también en gravitatoria). Y, además, de modo periódico. El inicio puede ser inverso: energía elástica en cinética. Si la energía elástica interviene, la solución siempre es oscilante. Si la energía gravitatoria interviene (menos veces), depende del caso. (con un depósito de nivel constante no, con una chimenea oscilante, sí)
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Importancia de los transitorios
¿Qué es un transitorio hidráulico? Causas y efectos Ejemplo: Tiempo de establecimiento de una corriente
Si H es pequeña, energía gravitatoria en cinética (la elástica es despreciable) H Si H es grande, gravitatoria + elástica en cinética (solución con oscilación)
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Importancia de los transitorios LA SEVERIDAD DE UN TRANSITORIO ¿Cuáles son los más problemáticos? La mayor o menor brusquedad del cambio es la que condiciona el transitorio. A veces, esa brusquedad es previsible: cierre instantáneo de una válvula, parada de bomba con escasa inercia y en tubería de notable pendiente. Otras veces no tanto. La importancia de conocer la característica efectiva de una válvula.
Una de las roturas investigadas se debió a la curva inherente de una válvula muy diferente a lo esperable.
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Importancia de los transitorios LA COMPLEJIDAD DE UN TRANSITORIO ¿de qué depende? En el cierre instantáneo de una válvula se admite que, de una tacada, la velocidad pasa del valor de régimen a cero. En consecuencia sólo se genera un pulso de presión. Y su evolución, y sus respectivas transformaciones (cinética – presión – cinética,…) es relativamente fácil de controlar. Cuando se cierra una válvula de manera progresiva, la velocidad va disminuyendo poco a poco y, en consecuencia, generando tantos pulsos de presión como decrementos de velocidad. El seguimiento de tantos pulsos de presión. Los pulsos, mientras viajan por una tubería simple, se trasladan sin más (sólo hay un amortiguamiento debido a la fricción). Pero la tubería por la que viajan las ondas acaba en un depósito, en una válvula, en un nudo en el que confluyen varias tuberías,…Y hay que modelar transmisiones, reflexiones, etc. Llevar la contabilidad detallada de todo es imposible si no se cuenta con un modelo de cálculo. Por ello la modelación de transitorios en tuberías simples, es mucho más simple que en sistemas complejos. Por eso hay infinidad de programas de cálculo del GDA en sistemas simples. Cual se verá, muchos menos en redes. 7
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Las consecuencias de la falta de previsión
Importancia de los transitorios
Colapso de una tubería en Valencia, 2001 (aguas abajo del cierre de una válvula)
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Las consecuencias de la falta de previsión
Importancia de los transitorios
Colapso de una tubería en el rio Columbia, USA (2007) 9
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Importancia de los transitorios
Las consecuencias de la falta de previsiรณn
Pozo de registro de un drenaje arrancado por la brusca compresiรณn de aire atrapado (Zhou et al., 2004)
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Importancia de los transitorios
Las consecuencias de la falta de previsiรณn
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Importancia de los transitorios Las consecuencias de la falta de previsiรณn
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Importancia de los transitorios Las consecuencias de la falta de previsiรณn Rusia Agosto 2009
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Importancia de los transitorios
Las consecuencias de la falta de previsiรณn
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Importancia de los transitorios
INTRODUCCIÓN: el software Así como EPANET, como módulo de cálculo, no tiene rival, hay una docena de paquetes de software para el cálculo de transitorios en redes hidráulicas.
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Importancia de los transitorios
INTRODUCCIร N: el software Algunos de los paquetes de software para el cรกlculo de transitorios hidrรกulicos
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Importancia de los transitorios
INTRODUCCIÓN: : el software Algunos de los paquetes de software para el cálculo de transitorios hidráulicos
PIPENET. Estados Unidos (www.sunrise-sys.com) HAMMER. Estados Unidos. (www.bentley.com) HYTRAN. Nueva Zelanda. (www.hytran.net/) IMPULSE. Estados Unidos. (www.aft.com) WANDA. Holanda. (www.deltares.nl/en/software/wanda/) FLOWMASTER. Estados Unidos (www.mentor.com/products/mechanical/flowmaster/) SURGE2000. Estados Unidos (http://kypipe.com/) LIQT. Estados Unidos (www.dnvgl.com) TRANSAM. Canada. (http://hydratek.com) SALTO. Francia. (http://www.cebelmail.fr) WATHAM. Australia. (www.hcp.net.au) ventosas Ven-o-Mat 17
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Importancia de los transitorios
TIPOS DE FLUJOS EN SISTEMAS A PRESIÓN (todos son transitorios)
a) Modelos de análisis estático (régimen permanente)
b) Modelos de análisis dinámicos (régimen transitorio) b1) Modelo casi-estático o en período extendido (transitorio muy lento o lento)
b2) Modelo de parámetros concentrados o rígido (transitorio lento o rápido) b3) Modelo de parámetros distribuidos o elástico (transitorio rápido o muy rápido)
En realidad todo es cambiante en el tiempo, aunque de un día para otro apenas se aprecie. 1975
¿es, o no es un transitorio? 2015
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Importancia de los transitorios
ESTRATEGIAS PARA MODELAR TRANSITORIOS
MODELOS DE PARÁMETROS DISTRIBUIDOS
Sistema de ecuaciones diferenciales
COMPRESIBILIDAD
MODELO DE FRICCIÓN DISTRIBUIDA
INERCIA
FRICCIÓN
COMPRESIBILIDAD
FRICCIÓN
MODELO DE FRICCIÓN CONCENTRADA
INERCIA
Modelo elástico
Ecuación diferencial ordinaria
INERCIA
INERCIA
FRICCIÓN
...
COMPRESIBILIDAD
Modelo rigido p1
V
p2
"plenum" V1
p
V2
MODELOS DE PARÁMETROS CONCENTRADOS
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Importancia de los transitorios
FRONTERAS ENTRE MODELOS
Modelos Dinámicos
Modelos Inerciales
Modelo Rígido
Modelos No - Inerciales
Modelo Cuasi-Estático
Modelo Estático
Modelo Elástico
Rapidez de cambio de la altura piezométrica en el contorno
... ∂h ∂t
(
∝
-1
(
Elasticidad del sistema
ρ
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Importancia de los transitorios
FRONTERAS ENTRE MODELOS a . máxim L.A.P
∆H max.
Tiempo de inercia rígida:
zD 1
Depósito 1 1
L.A.P. in ic
Tw =
Hf0
ial (t=0)
Hr
LVr Q =I r gH r Hr
Hv0 z zD 2
Nivel de referencia
L.A.P. = linea de alt. piezométricas
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Válvula
Tr: tiempo característico del sistema
Depósito 2
1 Hr 1 T r = Γr = Tw Tw Vr A 1 + 1 A1 A2
Γr > 10 (en el límite inferior, =10, error del 5%). Cuanto mayor es, menor error 21
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HOJA DE RUTA PARA LA SOLUCIÓN COMPLETA DE UN TRANSITORIO (Antes de “tirarse a la piscina”, explorar alternativas)
Boulos y col., 2005 22
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Importancia de los transitorios
¿Se puede modificar la concepción del sistema?
Sifón de alimentación de una desaladora
Depresión máxima
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Importancia de los transitorios ¿Es posible
ralentizar el transitorio?
Cierres instantáneo, rápido o lento En ocasiones no es posible ralentizar el cierre (problema de sobre embalamiento) 24
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Importancia de los transitorios
Si no hay alternativas, habrรก que proteger el sistema Insistiremos en la protecciรณn. No volveremos a incidir en la posibilidad de modificar el sistema o modificar el transitorio
de Boulos y col., 2005 25
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Importancia de los transitorios
CONCLUSIÓN Disponer de un software para el cálculo de transitorios es fundamental. No sólo para el NO ESPECIALISTA. Los especialistas también lo necesitamos. Pero disponer de un software fiable y potente, NO NOS EXIME DE CONOCER MUY BIEN LA FISICA DEL FENÓMENO
El CAD (Computer Aided Design) puede devenir en un Computer Aided DESASTER.
¿Acaso quienes diseñaron las instalaciones hidráulicas que han tenido los accidentes ya vistos no contaron con un software de apoyo? Sigamos, pues, comprendiendo mejor los TRANSITORIOS HIDRÁULICOS A PRESIÓN
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