Análisis de presiones subatmosféricas durante el proceso de vaciado de una tubería irregular sin entrada de aire mediante modelo CFD en 2D con plano de simetría

Abstract

El estudio del comportamiento de las bolsas de aire en una tubería a presión es de gran relevancia ya que estas pueden causar diferentes problemas en el sistema como la aparición de patrones de presión subatmosférica, interrupción del régimen de flujo, reducción de la eficiencia de la bomba y la turbina, fatiga o ruptura de la tuberías, juntas y/o válvulas de la instalación hidráulica, cambios en las propiedades de los fluidos y hasta lecturas erróneas en los medidores. Es importante resaltar que el proceso de vaciado debe ser estudiado para analizar la generación de los patrones de presión subatmosférica que pueden ocasionar colapsos graves en el sistema dependiendo de las condiciones de la instalación. Cuando no se admite aire durante la operación de vaciado de una tubería, se presentan valores de presiones subatmosféricas que pueden provocar hasta el colapso de la tubería (aplastamiento) dependiendo de las características de la altura de relleno, la rigidez de la tubería y el tipo de relleno, también se pueden presentar afectaciones en dispositivos como juntas, bombas, válvulas y turbinas. La presión subatmosférica se genera por la expansión de la bolsa de aire durante la ocurrencia de este fenómeno transitorio con aire atrapado. Para evitar esta problemática deben instalar válvulas de aire (ventosas) en puntos altos del perfil de la tubería; pero si estas válvulas no se diseñan adecuadamente el riesgo en las tuberías permanece latente. Por tal motivo, se hace necesario conocer comportamiento termodinámico de las bolsas de aire atrapadas en los sistemas de tuberías. Se han adelantado diversas investigaciones para analizar las operaciones de vaciado y llenado de tuberías con el fin de ejecutar estos procesos con mayor seguridad y brindar así fiabilidad al sistema. En la literatura actual se presentan pocos estudios relacionados con el proceso de vaciado en conducciones de abastecimiento de agua. Varios autores plantean modelos usando la dinámica computacional de fluidos CFD en 2D como recurso para entender procesos de vaciado. Se simula el vaciado de una tubería sin admisión de aire con una bolsa de aire confinada en el nivel superior del sistema. Para este caso, se supone que la ventosa presenta fallas en su funcionamiento o no está presente y se estudia el efecto del tamaño de la bolsa de aire, el porcentaje y el tiempo de apertura de la válvula en la variación de la presión. Sin embargo, es de gran dificultad encontrar estudios donde se presenten simulaciones de vaciados de tuberías con perfiles irregulares sin ventosas en donde se haga uso de la dinámica de fluidos computacional; por tal motivo se opta por continuar con el desarrollo de esta línea de investigación. En este estudio se simula el proceso de vaciado de una tubería de perfil irregular sin ventosas empleando la modelación de dinámica computacional de fluidos bidimensional (2D CFD) mediante el uso de un plano de simetría, con el objetivo de reducir los tiempos computacionales en comparación con estudios anteriores.