1 introducción

1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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,…

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En síntesis, CONCEPTOS FÍSICOS E HIDRAULICOS (y no tanto matemáticos)

1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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.

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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

Las consecuencias de la falta de previsión

Importancia de los transitorios

Colapso de una tubería en el rio Columbia, USA (2007) 9

1. Comparaciรณn de resultados

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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1. Comparaciรณn de resultados

Importancia de los transitorios

Las consecuencias de la falta de previsiรณn

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1. Comparaciรณn de resultados

Importancia de los transitorios Las consecuencias de la falta de previsiรณn

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1. Comparaciรณn de resultados

Importancia de los transitorios Las consecuencias de la falta de previsiรณn Rusia Agosto 2009

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1. Comparaciรณn de resultados

Importancia de los transitorios

Las consecuencias de la falta de previsiรณn

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1. Comparación de resultados

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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1. Comparaciรณn de resultados

Importancia de los transitorios

INTRODUCCIร N: el software Algunos de los paquetes de software para el cรกlculo de transitorios hidrรกulicos

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1. Comparación de resultados

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

1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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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1. Comparación de resultados

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

2

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

1. Comparación de resultados

Importancia de los transitorios

HOJA DE RUTA PARA LA SOLUCIÓN COMPLETA DE UN TRANSITORIO (Antes de “tirarse a la piscina”, explorar alternativas)

Boulos y col., 2005 22

1. Comparación de resultados

Importancia de los transitorios

¿Se puede modificar la concepción del sistema?

Sifón de alimentación de una desaladora

Depresión máxima

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1. Comparación de resultados

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

1. Comparaciรณn de resultados

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

1. Comparación de resultados

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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