Golpe de ariete

Descripción del fenómeno de golpe de ariete.

En el estudio de este fenómeno hay que abandonar las dos hipótesis normalmente utilizadas que son: flujo incompresible y régimen permanente. El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable, en que la tubería ya no es rígida y el líquido es compresible.
Este fenómeno se produce en los conductos al cerrar una válvula,al parar una máquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal.
[pic]Fig. 1

La fig. 1 representa una tubería de longitud L, espesor gamma y diámetro interior D por la que circula agua proveniente de un embalse y que termina en su extremo derecho en una válvula. Si se cierra está rápidamente, en virtud del principio de conservación de la energía, al disminuir la energíacinética, ésta se va transformando en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería y en el trabajo necesario para dilatar esta última: se ha producido una sobrepresión, o golpe de ariete.
Otro caso de fenómeno transitorio se da en un régimen permanente estático y se abre rápidamente la válvula, en este caso se puede producir una depresión.

Explicación del fenómeno.

Al cerrarse porcompleto instantáneamente la válvula de la fig.1, si dividimos imaginariamente todo el fluido que llena la tubería en rodajas, como la 1, 2, 3 y 4 indicadas en la figura, se quedará primero en reposo la rodaja 1 y a continuación la 2, 3, 4, etc., necesitando un cierto tiempo. Es decir, en la válvula se ha originado una onda de presión que se propaga con velocidad c, la cual en el instante consideradotiene dirección contraria a la velocidad v del fluido: se ha creado una onda elástica, o sea una onda de presión que se propaga por la tubería, se refleja en el embalse, vuelve a la válvula, de nuevo al embalse, y así sucesivamente; originando sobrepresiones y depresiones en la tubería, la cual se dilata o contrae al paso de la onda. Siendo c la velocidad de la onda y L la longitud de la tubería,el tiempo que tarda la onda en recorrer una vez la distancia entre la válvula y el embalse es [pic]. Al cabo de un tiempo [pic]el ciclo se repite.
Consideremos una serie de acontecimientos en la tubería durante un período de [pic].

1. No hay perturbación. Régimen permanente. El líquido en la tubería se desplaza con velocidad v del embalse a la válvula. Diámetro de la tubería normal.
2.Tiempo 0. la válvula se cierra instantáneamente (esto es físicamente imposible pero ayuda el estudio de casos reales). La velocidad del líquido se anula a partir de la válvula, no instantáneamente, en toda la tubería.
3. Tiempo [pic]. 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. Mitad derecha de la tubería dilatada por lasobrepresión. Mitad izquierda, diámetro normal. En esta mitad izquierda el agua circulando con velocidad v hacia la válvula. En la mitad derecha, v=0.
4. Tiempo [pic]. 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 está dilatada. Como un resorte que se expansiona, el agua en la tubería comienza a moverse convelocidad v, pero dirigida en sentido contrario a la velocidad inicial. El líquido empieza a ponerse en movimiento comenzando, por decirlo así, por las rodajas contiguas al estanque.
5. Tiempo [pic]. La mitad izquierda de la tubería se 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 con la velocidadv.
6. Tiempo [pic]. Diámetro de toda la tubería normal. Todo el fluido de la tubería en movimiento desde la válvula hacia el embalse con velocidad v; o sea en dirección hacia la izquierda. No hay sobrepresión en ninguna parte de la tubería; pero por la inercia la presión continúa disminuyendo, la onda elástica se sigue propagando, ahora con depresión desde la válvula hacia el embalse con la...