Simulación numérica por el método de elementos finitos del transiente hidráulico en sistemas de transporte de fluidos monofásicos a largas distancias

Abstract

El fenómeno de transientes hidráulicos en sistemas de transporte de fluidos por cañerías es un aspecto que debe ser analizado en detalle por las empresas de ingeniería especializadas del área. A lo largo de las historia moderna se han registrado desastres a las instalaciones, las personas y las comunidades cercanas a estas conducciones como consecuencia de un diseño inapropiado. El presente estudio desarrolla una herramienta computacional (algoritmo) que predice la variación de presión y velocidad del fluido al interior de las cañerías en un sistema de transporte de fluidos monofásicos a larga distancia durante un evento transiente. En la actualidad existen distintos modelos que permiten predecir el coeficiente de fricción existente entre el fluido y la pared interna de la cañería, los cuales junto a las ecuaciones de conservación de masa y de movimiento, permiten calcular los valores de presión y velocidad del fluido en cualquier punto del sistema (componente espacial), y para cualquier instante de tiempo (componente temporal) luego de que el evento transiente, o golpe de ariete, se ha generado en el sistema. Sin embargo, estos modelos se han determinado analíticamente, o bien, realizando experimentaciones en sistemas de transporte de fluido de algunos cientos metros de largo, mientras que sistemas reales, como por ejemplo de transporte de agua de mar, alcanzan varios kilómetros de distancia, por lo que realizar una validación de los modelos del coeficiente de fricción existente entre el fluido y la pared interna de la cañería cobra gran importancia, ya que permite realizar un buen diseño de estas instalaciones en etapas tempranas de un proyecto de ingeniería. Para lo anterior, se desarrolló un algoritmo que resuelve las ecuaciones que gobiernan el fenómeno del golpe de ariete, utilizando el método de elementos finitos, y programando en el lenguaje de MATLAB. Se utilizó un escenario ficticio, el que está compuesto por un estanque con nivel constante del pelo de agua, conectado a una cañería de 5000[m] de longitud, y en el otro extremo una válvula de bola que cierra rápidamente. Este escenario corresponde a una extrapolación de los existentes en la literatura. Se concluye con este estudio que el modelo estacionario de perdida de energía por fricción es un buen estimador. Los resultados de presión obtenidos, si bien son conservadores en comparación con los modelos cuasi-estacionario y no-estacionario, son bastante precisos para utilizarlos en el diseño de sistemas de transporte de fluidos. Además, se observó que el modelo no-estacionario estima que se pierde más energía por roce entre el fluido y la pared de la cañería, que los otros dos modelos.