TRANSITORIO EN CONDUCTOS A PRESIÓN
Las ecuaciones que rigen al flujo transitorio proceden de un balance diferencial de fuerzas y masas en un volumen de control considerando la inercia del agua; este análisis se realiza bajo las siguientes hipótesis:
- Flujo unidimensional y distribución de velocidades uniforme;
- El comportamiento del fluido y de las paredes del conducto tienen un
comportamiento elástico - lineal (esfuerzo proporcional a la deformación);
- Densidad del fluido constante; y,
- Se asume que el modelo de estimación de pérdidas de carga en flujo
estacionario es válido para flujo transitorio (empaquetamiento de onda).
2.8.1. ECUACIÓN DINÁMICA
Esta expresión matemática se deriva de la segunda ley de Newton y relaciona la fuerza con la variación de la cantidad de movimiento lineal.
𝑑𝑉 𝑑𝑡+ 𝑔 𝜕𝐻 𝜕𝑥 + 𝑓 2 𝐷 𝑉 |𝑉| = 0 (Ec. 2.13) Donde: V: velocidad; t: variable tiempo; g: aceleración de la gravedad; H: carga piezométrica;
x: variable espacio - distancia;
f: factor de fricción de la tubería ecuación de Darcy - Weisbach; y,
D: diámetro del conducto.
2.8.2. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Esta ecuación proviene de la aplicación del principio de conservación de la masa en un volumen de control para un diferencial de tiempo: volumen de líquido que ingresa es igual al volumen que se almacena al interior del volumen de control más el volumen de fluido que sale.
𝜕𝑉 𝜕𝑥+ 𝑔 𝑎² 𝑑𝐻 𝑑𝑡 + 𝑔 𝑎²𝑉 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = 0 (Ec. 2.14)
Donde:
a: celeridad de la onda de presión;
V: velocidad;
g: aceleración de la gravedad;
H: carga piezométrica;
t: variable tiempo; y,
x: variable espacio - distancia;
Realizando un análisis dimensional y dado que la relación entre la velocidad estacionaria y la celeridad de onda es muy inferior a 1, estas ecuaciones pueden reducirse a la siguiente forma:
- Ecuación dinámica. 𝜕𝑉 𝜕𝑡+ 𝑔 𝜕𝐻 𝜕𝑥 + 𝑓 2 𝐷 𝑉 |𝑉| = 0 (Ec. 2.15) - Ecuación de continuidad. 𝑎² 𝑔 𝜕𝑉 𝜕𝑥+ 𝜕𝐻 𝜕𝑡 = 0 (Ec. 2.16)
Estas dos expresiones fundamentales del flujo transitorio son ecuaciones diferenciales parciales de primer orden, con dos variables independientes espacio (x) y tiempo (t) y dos variables dependientes caudal (Q) y carga piezométrica (H); los demás parámetros son características de los conductos variables en función del espacio.
Este sistema de ecuaciones define el movimiento en flujo transitorio considerando las características elásticas del fluido y conducto y las pérdidas de energía en el sistema; este es el denominado modelo de la columna elástica y permite la resolución de todos los transitorios ya sean estos rápidos o lentos con mayor precisión.
Es importante indicar que estas ecuaciones fundamentales pueden ser simplificadas para cuando el flujo transitorio sea lento y tenga lugar el fenómeno de oscilación de masa, asumiendo que la celeridad es infinita y el fluido se traslada como un sólido (tubería sin deformación).
Esta simplificación da lugar al modelo de la columna rígida cuyas ecuaciones son
diferenciales ordinarias y son:
- Ecuación dinámica. 𝑑𝑄 𝑑𝑡 + 𝑔 𝐴 𝜕𝐻 𝜕𝑥 + 𝑓 2 𝐷 𝐴 𝑄 |𝑄| = 0 (Ec. 2.17) - Ecuación de continuidad. 𝑄 = 𝑄(𝑡) (Ec. 2.18)
El modelo rígido puede ser utilizado en particular para sistemas que tengan depósitos a superficie libre, en donde se permita la oscilación de la masa de agua, así como chimeneas de equilibrio, tanques de presión, entre otros.
2.9.
MÉTODOS DE RESOLUCIÓN DE LAS ECUACIONES
FUNDAMENTALES DEL FLUJO TRANSITORIO
Como se expresó en el numeral anterior, las ecuaciones que representan de mejor manera al flujo transitorio son las dadas por el modelo de la columna elástica, que son ecuaciones diferenciales parciales de primer orden cuyas funciones resultantes son de tipo hiperbólico y cuentan con innumerables soluciones. Sin embargo y gracias a la aplicación de varios artificios matemáticos se ha logrado ‘linealizar’ estas ecuaciones y desarrollar varios métodos de resolución gráficos y analíticos, que brindan soluciones aproximadas.
Estos métodos numéricos determinan la variación de los parámetros hidrodinámicos de los sistemas: caudal, velocidad y carga piezométrica; valores que son esenciales con fines de diseño hidráulico.
Con el desarrollo de la tecnología, en la actualidad es posible contar con la programación de varios de estos métodos, con la aplicación de varias técnicas y artificios matemáticos que facilitan la resolución del sistema de ecuaciones fundamentales del flujo transitorio. Existen varios métodos utilizados: método de elementos finitos, métodos pseudoespectrales, método de elementos espectrales, método implícito de diferencias finitas y el método de las características, siendo estos dos últimos los más difundidos.
El método implícito de diferencias finitas, se basa en el reemplazo de las derivadas parciales por diferencias finitas y las funciones resultantes del sistema se resuelven simultáneamente (naturaleza de método implícito); dependiendo de la complejidad del sistema que se analice, este método requerirá de varias iteraciones y de la resolución de varias ecuaciones no lineales. Este método es estable y puede utilizar intervalos de tiempo relativamente grandes y de aquello dependerá la solución.
En el método de las características las derivadas parciales se convierten en ecuaciones diferenciales ordinarias, las mismas que se resuelven por medio de una técnica explícita de diferencias finitas. En este método se establece una condición de frontera para cada sección de conducto y para determinado intervalo de tiempo, por lo que es totalmente conveniente para la resolución de sistemas complejos en geometría y con perturbaciones transitorias complejas.
Dado que el método de las características toma en consideración a las variables espacio y tiempo con sus distintas condiciones de borde, es necesario determinar un efectivo intervalo de tiempo para el análisis para satisfacer la convergencia del
modelo (criterio de Courant); sin embargo, de esta ligera complicación este método es sencillo de programar, tiene mayor eficiencia en el cálculo y sobretodo refleja de manera correcta el fenómeno de traslación de onda.
La gran mayoría de paquetes computacionales utilizan como método resolutivo de los problemas de flujo transitorio al método de las características, por tanto, en el siguiente acápite se hará una síntesis de la resolución mediante este método y sus principales parámetros.