Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas Unidad7 Golpe de ariete y cavitación

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Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas

Unidad7

Golpe de ariete y cavitación

Por Arthur GS

Golpe de ariete

Introducción  

Este fenómeno se produce en conductores al cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o parar una maquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal.

Un caso importante ocurre en las centrales hidroeléctricas o también donde se ha de reducir bruscamente un caudal suministrado a las turbinas hidráulicas acopladas a los alternadores, cuando se anula la carga del alternador: en este caso la instalación debe proyectarse de manera que no produzca un golpe de ariete excesivo.

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En la imagen se puede apreciar el ejemplo de golpe de ariete donde el agua que viene del embalse termina en el extremo derecho de la válvula, en este casi si la válvula se cierra bruscamente esto hace que el trabajo se convierta en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería y en el trabajo necesario para dilatar esta última: aquí se puede decir que se ha producido una sobre presión, o un golpe de ariete positivo.

Por el contrario, al abrir rápidamente una válvula se puede producir una depresión, o golpe de ariete negativo.

Explicación del golpe de ariete

Aunque es física mente imposible cerrar una válvula instantáneamente, el estudio inicial del caso de cierre instantáneo ayuda al estudio de los casos reales.

En la imagen anterior si decimos que la válvula se cerró en esta se está originando una onda de presión que se propaga con velocidad del fluido creando así una onda elástica, o sea una onda de presión que se propaga por la tubería, esta se refleja en el embalse y vuelve a la válvula, esta va repitiendo este ciclo; originando así una serie de sobrepresiones y depresiones en la tubería, la cual se dilata o contrae al paso de la onda.

Si pudiéramos dividir el golpe de ariete positivo que podría crearse en la tubería ya viste anteriormente se verían los siguientes pasos o cosas que ocurren en esta respecto al tiempo (to) que sería igual a L/c; donde L es longitud de la tubería y c es velocidad de onda.

-Proceso 1

No hay perturbación. Régimen permanente. El líquido en la tubería se desplaza con velocidad del embalse a la válvula. Diámetro de la tubería es normal

-Proceso 2

Tiempo=0. La válvula se cierra instantáneamente. La velocidad  del líquido se anula a partir de la válvula, no instantáneamente, en toda la tubería

-Proceso 3

Tiempo (to/2)= (L/2c). La onda de presión se ha propagado hacia el embalse con celeridad c y el frente de  onda ha llegado a la mitad de la tubería. En la mitad izquierda el agua sigue fluyendo a velocidad hacia la válvula y en la mitad derecha la tubería esta dilatada por la sobrepresión cabe decir que en esta mitad la v=0

-Proceso 4

to= L/c. la onda de presión ha llegado al embalse. En toda la tubería el líquido está en reposo, v=0, pero no en equilibrio. Toda la tubería esta dilatada. Como un resorte expansiona el agua. En la tubería comienza a moverse con velocidad, pero dirigida hacia el sentido contrario.

-Proceso 5

3to/2 = 3L/2c. La mitad izquierda de las tuberías ha contraído a su diámetro normal. La onda sigue propagándose hacia la derecha con velocidad c. en la mitad izquierda de la tubería el fluido circula el ruido circula a una velocidad

-Proceso 6

2to=2 L/c. diámetro en toda la válvula normal. Todo el fluido de la tubería en movimiento de a válvula hacia el embalse con velocidad (v) o sea en sentido contrario. No hay sobre presión en ninguna parte de la tubería; pero por inercia la presión continua disminuyendo. La onda elástica se sigue propagando.

-Proceso 7

En tiempo 5to/2 = 5L/2c. La depresión ha alcanzado la mitad de toda la tubería. La mitad derecha contiene agua en reposo a una presión por debajo de lo normal y su diámetro es inferior al normal.

-Proceso 8

3to = 3L/c. El agua en toda la tubería está en reposo; pero no en equilibrio, y el agua inicia su movimiento desde el embalse al a la válvula la depresión reina en toda la tubería y su diámetro es inferior al normal  

-Proceso 9

Tiempo 7to/2 = 7L/2c, en la mitad izquierda de la tubería el fluido está a un velocidad hacia la válvula y en la derecha el líquido continua en reposo y en depresión, c y v están en el mismo sentido y diámetro en la parte derecha es menor al normal y en la izquierda ya es normal.

-Proceso 10

4to=4L/c. diámetro en la tubería es normal todo el fluido a velocidad (v) hacia la válvula todo igual         que el tiempo en 0

Para mayor comprensión de esto

https://www.youtube.com/watch?v=cmaBA1PhylI

Aquí se nos muestra el proceso visual a cámara lenta y explicada

Formulas de la presión máxima o sobre presión

El estudio del golpe de ariete fue hecho en primer lugar por Joukovsky, mientras que la solución completa al problema fue dada por Allievi.

El cálculo de la sobre presión depende del tiempo de cierre de tc de la válvula el cierre puede ser

Instantáneo: tc=0

Caso teórica ya que es física mente imposible pero tal vez es muy interesante para entender la esencia del problema

Rápido: 0

La presión máxima esta misma que en el cierre instantáneo aunque la curva de presiones es en la tubería en función de tiempo es distinta

Lento  tc>2to=2L/c

La presión máxima es menos que en los dos casos anteriores, porque la depresión de la onda elástica llega  a la válvula antes de que se complete el medio ciclo e impide el aumento ulterior de la presión

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