Contenido Transitorios hidráulicos. Del régimen estacionario al golpe de ariete

Este libro es la culminación de décadas de trabajo. Desde que uno de sus editores finalizara, allá hacia mediados de los setenta, su tesis doctoral sobre el golpe de ariete, los promotores de este libro no han dejado de prestar atención a este apasionante campo. Hoy, con la presentación de este trabajo, cierran un largo ciclo. Dos hechos así lo evidencian. El primero haber encontrado el marco idóneo para detallar algunas de sus experiencias más relevantes y de sus desarrollos más notables realizados en tan largo periodo. El segundo haber finalizado el programa Allievi del que este libro quiere ser su complemento. Porque aunque una herramienta informática libera al técnico de tediosos cuando no, como en el caso que nos ocupa, de los irrealizables cálculos manuales, un paquete de software jamás excusará al técnico de ignorar la física del problema ni, en este caso, de identificar el dispositivo de protección que conviene a una instalación determinada. Tampoco lo exime del deber de realizar un análisis coste - beneficio que, de entre las distintas soluciones, le permita identificar la mejor. Estamos convencidos de que tanto este libro como el programa que lo complementa están llamados a ser dos de los principales apoyos que en su quehacer diario encontrarán los técnicos encargados de calcular transitorios hidráulicos y de diseñar sus sistemas de protección. Particularmente, y sin que ello suponga renunciar a otros ámbitos geográficos, en el mundo latino. Una clara vocación que evidencia cómo se ha bautizado este programa. Lleva el nombre del genial italiano Lorenzo Allievi, sin duda el científico que estableció hace ahora, qué casualidad, un siglo exacto los fundamentos físicos y matemáticos que posibilitan el moderno análisis del golpe de ariete. Con todo, no conviene ignorar el diferente alcance de cada uno de estos dos logros. Por lo que a este libro respecta, si bien su contenido es muy diferente al de muchos y excelentes libros (particularmente algunos de los escritos en inglés) que abordan esta problemática, parece evidente que su lector natural será el técnico que tiene el castellano y, hasta cierto punto el portugués, por lengua materna. Sin embargo pensamos que el recorrido del programa Allievi puede, y debe, ser mucho mayor. La actual oferta internacional de paquetes para el cálculo de transitorios hidráulicos en sistemas complejos es escasa, tienen un coste económico elevado (en algunos casos hasta cinco veces superior al de Allievi) y, por último, los más de los algoritmos de cálculo que los soportan fueron elaborados hace ya varias décadas. Un asunto para nada menor. Porque, por ejemplo, en nuestro conocimiento los más no incluyen uno de los análisis más prometedores y que en un futuro inmediato están llamados a despertar más interés, la relación entre el nivel de fugas de una red y el riesgo de intrusión patógena inherente a este hecho. Allievi, como programa joven y en permanente evolución, da respuesta a esta pregunta. Y va a seguir dándolas a cuantas se vayan planteando en un mundo tan cambiante como el que hoy vivimos. Con todo, ocupar un sitio relevante en un mercado tan competitivo es tarea ciertamente compleja. Requiere avanzar por un camino angosto en una época, la actual, presidida por una gran recesión económica. Pero como se hace camino al andar, este libro es un formidable avance en el objetivo final que nos fijamos al concebir Allievi: que llegue a ser a escala mundial uno de los programas de referencia. Volvamos, pues, al libro como complemento ideal del programa. Al respecto es oportuno recordar al profesor Thorley, uno de los expertos internacionales más conocidos en este campo. Tan pronto se puso de moda el acrónimo CAD, Computer Aided Design, (fue hacia finales de los setenta), subrayó su riesgo inherente. Quien utiliza un programa para realizar el análisis de un fenómeno cuyos fundamentos desconoce, puede acabar realizando otro tipo de CAD, un Computer Aided Disaster. Sólo con una buena comprensión de los transitorios hidráulicos, el principal objetivo de este libro, el técnico realizará el CAD genuino. Un correcto análisis de los resultados (también permite localizar potenciales errores en los datos de partida) es asunto de vital importancia que jamás podrá delegarse en un programa informático, por bien elaborado y amigable que sea. Congratulémonos, pues, de que un paquete de software y el ordenador que lo soporta nunca podrán sustituir al ingeniero cuyo papel, al menos en los albores del siglo XXI, aún es imprescindible. El objetivo que el libro persigue ha condicionado su contenido, dedicado a tratar fundamentalmente los problemas que, ligados a los transitorios hidráulicos, con mayor frecuencia se presentan en la práctica. Pero tampoco ignora los aspectos teóricos básicos que permiten comprender el fenómeno ni las estrategias matemáticas que posibilitan estructurar eficientemente los algoritmos de cálculo necesarios para resolver estos problemas. La obra, pues, se ocupa tanto de las cuestiones básicas como de las aplicaciones, y ha buscado alcanzar el equilibrio adecuado. En particular el primer capítulo, básicamente descriptivo, está dedicado a introducir al lector en el mundo de los transitorios hidráulicos a presión. Los dos capítulos siguientes tienen un contenido esencialmente teórico. El primero de ellos estudia el fenómeno físico en sí, mientras el segundo se dedica a la resolución numérica y, por tanto discretizada, de las ecuaciones fundamentales establecidas en el segundo capítulo. Los tres capítulos que siguen (cuarto, quinto y sexto) conforman el núcleo aplicado del libro. El cuarto se dedica al análisis práctico de los transitorios en sistemas simples, el quinto a los elementos de protección que posibilitan atenuar las bruscas variaciones de presión que suelen acompañar a los fenómenos transitorios más rápidos. El último capítulo de este bloque, el sexto, aborda la interesante problemática de la puesta en marcha de estas instalaciones. Los tres capítulos incluyen numerosos ejemplos prácticos. Finalmente el séptimo y último capítulo se dedica a las especificidades de los transitorios hidráulicos que se generan en sistemas complejos. Y lo hace desde un punto de vista esencialmente práctico aunque tampoco olvida cómo deben estructurarse las rutinas de cálculo de transitorios en sistemas hidráulicos complejos. Tras los siete capítulos, dos anexos cierran el libro. El primero una breve descripción del Trasvase Júcar-Vinalopó, toda vez que muchos de los ejemplos incluidos en el bloque aplicado del libro son tramos concretos del referido trasvase. El segundo anexo sintetiza las características más relevantes del programa Allievi. Y ya para concluir conviene hacer una última reflexión en voz alta. Con independencia de la mayor o menor aceptación que este libro pueda tener (sólo el tiempo tiene la respuesta), de lo que sus editores están convencidos es de la magnífica oportunidad que les ha brindado la coincidencia en el tiempo de tres hechos. La finalización del programa Allievi, el haber tenido la oportunidad de realizar los cálculos hidráulicos de una obra tan importante como el trasvase Júcar-Vinalopó y, por último, pero no por ello menos importante, la voluntad decidida de acuaMed de contar unas valiosas experiencias prácticas para, de este modo, contribuir a enriquecer el acervo tecnológico de los profesionales que trabajan en el apasionante campo de la ingeniería del agua. Confiamos, contándolas tal cual la ocasión requiere, haber estado a la altura del momento.

ÍNDICE

Presentación  
Prólogo  
Editores  
Nomenclatura general  

1. Una introducción a los transitorios hidráulicos
 
1.1. La hidráulica de presión a lo largo de la historia  
1.2. Breve historia del golpe de ariete  
1.3. El estado actual de la cuestión  
1.4. El futuro inmediato de los transitorios hidráulicos  
1.5. El estado de la cuestión en España  
1.6. Objeto del libro  
1.7. Referencias  

2. Fundamentos físicos  

2.1. Importancia del estudio de los transitorios  
2.2. Tipos de transitorios. Necesidad de su análisis y control  
2.3. Análisis cualitativo (descripción del fenómeno)  
2.4. Formulación matemática de los procesos físicos  
2.5. Análisis mediante el método del volumen de control  
2.6. Balances integrales unidimensionales  
2.7. Ecuaciones diferenciales básicas  
2.8. Condiciones de contorno  
2.9. Fronteras entre modelos  
2.10. Conclusión  
2.11. Referencias  

3. Métodos matemáticos para la resolución de los transitorios hidráulicos a presión  

3.1. Introducción  
3.2. Solución de las ecuaciones del flujo transitorio en conductos a presión  
3.3. Aplicación del método de las características para el cálculo del régimen transitorio en tuberías a presión  
3.4. El método de las características con interpolación  
3.5. Condiciones de estabilidad y convergencia del método de las características  
3.6. Cálculo de las condiciones iniciales  
3.7. Los elementos que componen un sistema hidráulico  
3.8. Forma de implementar las condiciones de contorno en el cálculo de transitorios  
3.9. Cuestiones prácticas en la aplicación del método de las características  
3.10. Referencias  

4. Análisis de transitorios en sistemas simples  

4.1.Introducción  
4.2. Las válvulas en los sistemas hidráulicos a presión  
4.3. Caracterización hidráulica de las válvulas  
4.4. Transitorios originados por maniobras de válvulas en aducciones  
4.5. Caracterización de bombas  
4.6. Comportamiento dinámico de las válvulas de retención  
4.7. La separación de columna líquida en transitorios hidráulicos  
4.8. Transitorios por parada de bomba en impulsiones simples  
4.9. Otras consideraciones en el cálculo de transitorios hidráulicos en sistemas simples  
4.10. Referencias  

5. Elementos de protección
 
5.1. Introducción  
5.3. Chimenas de equilibrio  
5.4. Calderines  
5.5. Bypass en estaciones de bombeo  
5.6. Tanques unidireccionales  
5.7. Ventosas  
5.8. Válvulas de retención  
5.9. Válvulas de alivio  
5.10. Condiciones de utilización de los dispositivos de protección  
5.11. Referencias  

6. Puesta en marcha y maniobras en instalaciones hidráulicas
 
6.1. Introducción  
6.2. Llenado de conducciones  
6.3. Vaciado de conducciones  
6.4. Diseño de maniobras de arranque y paro de bombas  
6.5. Referencias  

7. Transitorios en sistemas complejos
  
7.1. Introducción  
7.2. Influencia de las discontinuidades de los sistemas en la propagación de las ondas de presión  
7.3. Ejemplos ilustrativos  
7.4. Formulación de un modelo elástico generalizado  
7.5. Conclusión  
7.6. Referencias  

Anexo 1. Descripción del trasvase Júcar-Vinalopó  
A l. l. Finalidad de la conducción  
A l.2. Descripción de la obra  
A l.3. Tramos que la componen  
A l.4. Esquema de funcionamiento hidráulico  
A l.5. Tramo A (Marquesa-Panser)  
Al.6. Tramo B (Túnel Corbera - Sifón Aigües Vives-Simat - Túnel Barxeta)  
Al.7. Tramo C (Sifón Barxeta-Xátiva)  
Al.8. Tramo D (Llanera - Impulsión Costera)  
Al.9. Tramo E (Moixent - Impulsión Venta del Potro)  
Al.10. Tramo V (Ramblar - La Font de la Figuera)  
Al.11. Tramo VII (Balsa de San Diego)  
Al.12. TramoVI (Alorines)  
Al.13. Otras instalaciones comunes  
Al.14. Comentarios finales  
Anexo 2. El programa Allievi  
A2.1. Motor de cálculo  
A2.2. Interfaz gráfica del usuario  
A2.3. Simulación del trasvase Júcar-Vinalopó mediante el programa Allievi  
A2.4. Conclusión