CARACTERISTICAS HIDRAULICAS (P,Q) EN LOS NUDOS COMPUTACIONALES DEL FEN ́OMENO TRANSITORIO

TEMA: CARACTER ́ISTICAS HIDR ́AULICAS (P,Q) EN LOS NUDOS COMPUTACIONALES DEL FEN ́OMENO TRANSITORIO.

CATEDR ́A: ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO.

CATEDR ́ATICO: MSc. AYALA BIZARRO, IV ́AN ARTURO. ⋆ ⋆ ⋆ ⋆⋆

ESTUDIANTE: Ramirez Quispe, Jimmy Arturo ⋆ ⋆ ⋆ ⋆⋆

Huancavelica-AGOSTO 2020

Universidad Nacional de Huancavelica (Creada por Ley Nro. 25265) Licenciada

Facultad de Ciencias de Ingenier ́ıa Escuela Profesional de Civil-Hvca

Baja AGRADECIMIENTO

Con toda sinceridad, les doy las gracias a todos mis ami- gos(as), compa ̃neros(as), docentes que siempre me han respaldado y al docente del curso a cargo por su ense ̃nan- za, formandome alo largo de mi formación profesional.

Baja DEDICATORIA

A DIOS por iluminar y bendecir mi camino. A mis pa- dres, quienes me apoyan de manera incondicional en mi formación académica; gracias a ellos por apostar siempre en mi educación.

 ́Indice general  ́Indice general

 ́Indice de Figuras 1 Resumen 2 Introducción 3

Cap ́ıtulo 1. Objetivos Pág 4 1.1 Objetivos Generales 4 1.2 Objetivos Espec ́ıficos 4

Cap ́ıtulo 2. Generalidades Pág 5 2.1 Antecedentes 5

Cap ́ıtulo 3. Marco Referencial Pág 6 3.1 Descripción del fenómeno de flujo transitorio 6 3.1.1 Flujo transitorio en conductos a presión 6 3.1.2 Fenómeno de traslación de ondas en conductos a presión 7 3.1.3 Principales problemas que ocasiona el flujo transitorio en conductos a presión 8 3.1.4 Tipos de flujo transitorio en conductos presurizados 8 3.1.5 Definiciones básicas del flujo transitorio 8 3.1.6 Ecuaciones fundamentales del flujo transitorio en conductos a presión 10 3.2 Métodos de resolución de las ecuaciones fundamentales del flujo transitorio 12 3.3 Importancia de estudio 13

Cap ́ıtulo 4. Método de las caracter ́ısticas Pág 14 4.1 Condiciones de flujo permanente 14 4.2 Ecuaciones caracter ́ısticas 15

Ramirez Quispe,Jimmy Arturo. ii Abastecimiento de Agua y Alcantarillado.

4.3 Condiciones de borde 21 4.3.1 Depósito de cabeza constante en el extremo aguas arriba 21 4.3.2 Depósito de cabeza constante en el extremo aguas abajo 22 4.3.3 Callejón sin salida en el extremo aguas abajo 23 4.3.4 Válvula en el extremo aguas abajo 24 4.3.5 Orificio en el extremo inferior 25 4.3.6 Unión de serie 25 4.3.7 Unión ramificada 27 4.3.8 Bomba centr ́ıfuga en el extremo aguas arriba 29 4.3.9 Francis Turbine en el extremo aguas abajo 29

Cap ́ıtulo 5. CONCLUSIONES Pág 30 5.1 Conclusiones 30 5.2 Recomendaciones 31 Bibliograf ́ıa 32

Cap ́ıtulo 6. ANEXOS Pág 34

Ramirez Quispe,Jimmy Arturo. iii Abastecimiento de Agua y Alcantarillado.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA INGENIER ́IA CIVIL-HUANCAVELICA

 ́Indice de figuras

3.1 Esquema explicativo de la generación de un flujo transitorio. . . . . . . . . . . 7

4.1 Esquema explicativo de la generación de un flujo transitorio . . . . . . . . . . 14 4.2 L ́ıneas caracter ́ısticas en el plano x-t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.3 Sistema de tuber ́ıas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.4 Regiones de validez para una sola tuber ́ıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.5 Excitación en el extremo aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.6 Excitación en los extremos aguas arriba y aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . 19 4.7 Cuadr ́ıcula caracter ́ıstica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.8 Depósito aguas arriba de nivel constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.9 Depósito aguas abajo de nivel constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.10 Callejón sin salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.11 Válvula en el extremo aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.12 Válvula en el extremo aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.13 Unión ramificada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.14 : Curva de descarga de cabeza para una bomba centr ́ıfuga. . . . . . . . . . . . 29

RESUMEN

De la misma manera que en los sistemas de conducción a gravedad, uno de los aspectos más relevantes a tomar en cuenta dentro del dise ̃no de un sistema de bombeo es el fenó- meno de golpe de ariete, por cuanto ocasiona solicitaciones extremas a los conductos y turbomáquinas; por lo que es necesario un conocimiento adecuado sobre este particular fenómeno, en cuanto corresponde a sus causas, efectos y principales parámetros caracte- r ́ısticos, a sabiendas que el funcionamiento de una bomba asocia condiciones de frontera especiales dentro del análisis de flujo transitorio.

Este trabajo describe al fenómeno de golpe de ariete desde los conceptos básicos, hasta lograr una ilustración de los eventos que tienen lugar cuando existe un flujo transitorio inducido por las maniobras de una bomba rotodinámica; a la vez que se describe su fundamento matemático, su resolución asociada al método de las caracter ́ısticas y los parámetros necesarios para su simulación mediante un modelo numérico.

De forma descriptiva y breve se presentan los dispositivos más comunes para el control y atenuación del flujo transitorio en sistemas de bombeo, acompa ̃nados de varios algoritmos que pueden ser utilizados para el predimensionamiento de estas estructuras.

Se propone una metodolog ́ıa para la elaboración de un modelo numérico de flujo transitorio de un sistema de bombeo en un programa comercial, con la ayuda de varias herramientas que han sido creadas para el efecto; finalmente esta metodolog ́ıa se aplica en un problema puntual.

INTRODUCCI ́ON

El presente trabajo consiste en la explicación detallada del proceso de construcción y funcionamiento del modelo f ́ısico de un fenómeno transitorio (golpe de ariete).

El creciente requerimiento del abastecimiento de agua tanto para consumo humano como para riego, ha generado la necesidad de ejecutar proyectos de infraestructura en donde se incluya dentro de sus arreglos a sistemas de bombeo, que permitan vencer desniveles topográficos y as ́ı obtener los beneficios de los recursos h ́ıdricos de zonas donde aún existe disponibilidad; todo esto motivado por la configuración orográfica de nuestro pa ́ıs, sus heterogéneas disponibilidades del recurso h ́ıdrico y el acelerado crecimiento de la población.

En el desarrollo de la construcción para realizar el modelo f ́ısico se consideró los siguientes componentes: un reservorio de concreto armado, una tuber ́ıa para abastecer el reservorio, otro tramo de tuber ́ıa hasta donde se encuentra la válvula.

Bajo estos antecedentes, es necesario que la ingenier ́ıa nacional esté preparada para poder realizar los correspondientes dise ̃nos de estos sistemas y lograr un correcto funcionamiento, además de cumplir y prolongar la vida útil de estas estructuras. Uno de los aspectos principales que involucran al correcto funcionamiento y cuidado de un sistema de bombeo, es la consideración en el dise ̃no de la ocurrencia del fenómeno de flujo transitorio, el mismo que al no ser tomado en cuenta puede causar graves da ̃nos a los componentes de estos sistemas y por consiguiente repercutir en el aspecto económico - financiero ante la aver ́ıa de un sistema del que dependen muchas actividades productivas.

...