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ESTUDIO DE TRANSITORIOS: GOLPE DE ARIETE


Se conoce con el nombre de “transitorios” a los fenómenos de variación de presiones en las conducciones a presión, motivadas en variaciones proporcionales en las velocidades.

Cuando la variación es tal que implica el impedimento de escurrir, es decir, velocidad final nula, y cuando además, las oscilaciones de presión por ese motivo songrandes, al fenómeno se lo denomina “golpe de ariete”.

Se podría definir al fenómeno de Golpe de Ariete como la oscilación de presión por encima o debajo de la normal a raíz de las rápidas fluctuaciones de la velocidad del escurrimiento.

En realidad, el fenómeno conocido como "Golpe de Ariete" es un caso particular del estudio de los movimientos transitorios en las conducciones a presión. Ladiferencia se encuentra en que los transitorios implican variaciones de velocidad - y su correlación con la transformación en variaciones de presión - de pequeña magnitud, mientras que el "Golpe de Ariete" implica las grandes variaciones, de velocidad y presión.

Las maniobras de detenimiento total, implican necesariamente los golpes de ariete de máxima intensidad puesto que se pone demanifiesto la transformación total de la energía de movimiento que se transforma en energía de presión.

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO

Con el objetivo de analizar el fenómeno físicamente, estudiaremos el caso del “cierre instantáneo del obturador”, el que, a pesar de ser una abstracción teórica, posibilita una más fácil comprensión del problema. Decimos que el cierre instantáneo es una abstracción,porque los órganos de cierre, por rápido que actúen siempre demandarían un tiempo para completar la obturación del caudal. Ello no obstante, en la realidad práctica se producen cierres que pueden adaptarse a ese criterio y que como se estudiará, no son deseables puesto que, como adelantamos, pueden producir sobrepresiones máximas.

En la Figura 1a representamos en una secuencia de dibujos, unconducto de diámetro D y longitud L, conectado a un embalse de capacidad infinita l inclinado, para mayor generalidad. La conducción puede ser regulada por el obturador O situado aguas abajo y las coordenadas l las medimos desde el mismo hasta el embalse M donde adquiere el valor L.

El primero de los dibujos esquematiza las condiciones previas al cierre instantáneo del obturador, es decir elrégimen permanente y uniforme. Los dibujos representan situaciones posteriores al cierre, el que se opera en un instante inicial t0.











La primera capa de líquido en contacto con el mismo y de espesor diferencial, pasa de velocidad U a velocidad nula. Necesariamente la energía cinética se transforma en potencial, elevándose la presión a un valor ∆h y comprimiéndose el líquido en ρ+ ∆ρ.

Para un instante posterior (t0 + ∆t) otra capa de líquido pasa por el mismo proceso, dando como resultado que el fenómeno de aquietamiento de las capas –y consecuentemente aumento de presión- se propague en el sentido de O a M con una cierta velocidad que llamaremos c celeridad de onda.

Como por otra parte el material de la conducción tiene un módulo de elasticidad E, se deformaráel conducto a causa del aumento de presión.

En la Figura 1a se representa todo el proceso, haciéndose la aclaración que las sobrepresiones por golpe de ariete, de acuerdo a lo dicho, deben representarse sobre el eje del conducto y no sobre su proyección como se hace en otros capítulos de la hidráulica de las conducciones. Es por ello que en todos los casos se rebate la verdadera magnituddel conducto sobre la horizontal.

Transcurrido un tiempo ∆t del cierre del obturador, el fenómeno alcanzará la sección a la distancia l = c ∆t.

La conducción entre O y L se encontrará con una sobrepresión h y consecuentemente dilatada en un D + ∆D. Por otra parte el líquido se encontrará comprimido siendo su masa específica ρ + ∆ρ tal como se describe en la Figura 24. En la longitud L –...