Propuesta de instalación experimental en el laboratorio de hidráulica para la enseñanza teórico-práctica del fenómeno de golpe de ariete - Bonilla Sánchez, Mario David (My University, 2014)
El objetivo de esta tesis es, principalmente aplicar un método numérico de solución para el fenómeno transitorio conocido como golpe de ariete en el dispositivo experimental instalado en el Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM y realizar una propuesta de práctica de laboratorio para que los alumnos de la asignatura Hidráulica de Máquinas, conozcan y empleen el método de solución de uso generalizado para tal efecto. También se analiza la conveniencia del dispositivo existente y se propone una nueva instalación experimental. Sobre el fenómeno del golpe de ariete se sabe que una de las aportaciones más importantes sobre la teoría, fue dada a conocer por el italiano Lorenzo Allievi. Sin embargo, con la evolución de las computadoras en los años 50, el investigador Gray, introdujo un procedimiento de análisis del fenómeno conocido como Método de las Características. Este método es de uso generalizado para el análisis y es el que se propone para la solución de la práctica de laboratorio, pues permite introducir algunas variables que son necesarias para simular el fenómeno de golpe de ariete de una forma más apegada a las circunstancias reales, ya que se pueden incluir condiciones como el efecto de las pérdidas por fricción en la tubería y la ley de cierre del órgano de control. También es posible considerar los cambios geométricos que pudiera tener una tubería, como sucede en la operación real de las redes de distribución.
En el capítulo uno, se presenta un marco histórico sobre el estudio del golpe de ariete, debido que es importante conocer el tiempo que los investigadores del tema tardaron en observar el fenómeno y desarrollar algún método para representarlo numéricamente o poder dar solución a situaciones que se generan en las tuberías producto de este fenómeno. En este mismo capítulo se presenta la situación actual de la práctica Golpe de Ariete que se desarrolla en el Laboratorio de Hidráulica. En esta práctica se incluyen los antecedentes necesarios que el alumno debe poseer para comprender el fenómeno físico. Así mismo se muestra el desarrollo que debe tener la práctica para dar solución al fenómeno transitorio con las ecuaciones de Allievi. En el capítulo dos se muestran los conceptos fundamentales que se utilizarán a lo largo de este trabajo. Estos conceptos se refieren a la parte teórica del fenómeno, así como definiciones sobre la clasificación de flujos. También se muestra la deducción de las ecuaciones de continuidad y la ecuación dinámica para un conducto mediante el principio de conservación de la masa. Se describe el fenómeno del golpe de ariete en un conducto por gravedad, así como las definiciones de celeridad de onda y las leyes para maniobras de cierre. Se presenta la deducción de la ecuación de continuidad y la ecuación dinámica mediante la teoría de la columna elástica. A su vez se presentan las ecuaciones diferenciales del golpe de ariete, así como la interpretación física de las ecuaciones integrales del mismo fenómeno. En este mismo capítulo se presenta la teoría del Método de las Características y el Método de Allievi. Para el Método de las Características se describen las ecuaciones características, y su solución; las ecuaciones de las condiciones de frontera aguas abajo y aguas arriba de la tubería. Parte importante de este método, son las condiciones de estabilidad y convergencia, mismas que determinan la obtención de resultados favorables. Al final de este capítulo se presenta un ejemplo de aplicación, mismo que sirvió para realizar la calibración de la hoja de cálculo que posteriormente se utilizara para la resolución del caso experimental en el laboratorio. Por otra parte se muestra la deducción de las ecuaciones generales de Allievi, así como el desarrollo en cadenas que se debe llevar a cabo para obtener una solución. En el capítulo tres, se describe el caso de estudio, para lo cual se describe detalladamente el dispositivo experimental utilizado. Posteriormente se muestra el procedimiento experimental para determinar las condiciones iniciales de flujo, así como para determinar los valores de algunas constantes necesarias en el cálculo. Se presenta también la forma en que fueron calculadas las pérdidas totales de energía en la tubería. En seguida, se detalla la solución del caso de estudio mediante los dos métodos desarrollados teóricamente en el capítulo dos, haciendo una comparación entre los resultados obtenidos con ambos métodos. En el capítulo cuatro se hacen algunas propuestas para mejorar el dispositivo experimental actual, así como la implementación de instrumentos de medición y control adecuados. También se hace la propuesta de un nuevo dispositivo y de igual forma la implementación de instrumentos de medición y control. Finalmente, en el capítulo cinco se presenta una propuesta de prontuario de práctica de laboratorio, utilizando como método de solución el Método de las Características y empleando el dispositivo experimental actual. También se presenta una propuesta de práctica de laboratorio usando el nuevo dispositivo experimental y como método de solución el método de las características a través de la hoja de cálculo desarrollada en el capítulo dos. Así es como se desarrolla el contenido de este trabajo, el cual puede formar parte del material didáctico utilizado en el Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.
Keywords: Método de las características; Golpe de ariete; Ley maniobra cierre no uniforme; Propuesta instalación experimental; Propuesta práctica de laboratorio