Golpe de Ariete

Instituto Tecnológico De Tlalnepantla

Aceves Valentín Jesús Uriel

Grupo: K51

Prof.: Gómez Flores Fernando

Análisis De Fluidos

Fecha de entrega: 02/06/21

 Índice General
4.5.1 Golpe de Ariete
15.1: Golpe de Ariete
15.1.2 Explicación del fenómeno
15.1.3 Formulas de la presión máxima o sobrepresión
15.1.3.1 Presión máxima total en cierre total o parcial
instantáneo de la válvula en una tubería elástica
4.5.2. Estudiar los problemas 15.1; 15.2 y resolver los
problemas 15.3 y 15.4 del mismo libro
4.5.3 Generar un ensayo sobre los efectos del fenómeno
de golpe de ariete cuya extensión máxima sea de 6 hojas,
con la siguiente estructura: introducción teórica,
desarrollo y conclusiones.
 15.1 Golpe de Ariete

Un golpe de ariete es un aumento repentino de la presión causado por un cambio rápido

en la velocidad de caudal de la tubería. Este fenómeno se denomina "golpe de ariete"
porque los aumentos repentinos de la presión suelen ir acompañados de un ruido
semejante al que haría la tubería si se golpease con un martillo.

En instalaciones en pozo, el golpe de ariete se produce si a) la válvula anti-retorno de la

tubería descendente que sale de la bomba se instala a más de 9 m del nivel de agua, o b)
la válvula anti-retorno instalada en la tubería descendente que sale de la bomba presenta
fugas, y otra válvula anti-retorno instalada por encima funciona correctamente. En ambos
casos se crea un vacío parcial en la tubería descendente. La próxima vez que la bomba
se ponga en marcha, el agua llenará el vacío a gran velocidad y empujará la válvula anti-
retorno cerrada y la columna de agua acumulada en la tubería, causando un aumento
repentino de la presión o golpe de ariete. Este aumento repentino de la presión puede
hacer estallar las tuberías, romper las uniones y causar daños a la bomba y/o el motor. Si
se producen aumentos repentinos de la presión, desconecte el sistema y avise al
instalador de la bomba para que resuelva el problema.

15.1.2 Explicación del fenómeno

Aunque físicamente es imposible cerrar una válvula instantáneamente, el estudio inicial
del caso de cierre instantáneo ayuda al estudia de los casos reales.
Al cerrarse por completo instantáneamente la válvula de la figura anterior, si se divide
imaginariamente todo el fluido que llena a la tubería en rodajas, como la 1, 2, 3, y 4
indicadas en la misma.
Consideremos que en la siguiente figura que la serie de acontecimientos en la tubería
durante el periodo T= 4L/c.
1.- No hay perturbación, régimen permanente, el liquido en la tubería se desplaza con
velocidad v del embalse a la válvula.
2.- La válvula se cierra instantáneamente, la velocidad del liquido se anula a partir de la
válvula, diámetro de tubería normal.
3.- La onda de presión se ha propagado hacia el embalse y el frente de la onda ha llegado
a la mitad de la tubería, mitad derecha de la tubería se ha dilatado por la sobrepresión.
4.- La onda de presión ha llegado al embalse. En toda la tubería el liquido esta en reposo,
v=0 pero no en equilibrio
5.- 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 velocidad v.
6.- Diametro de la tubería normal, todo el fluido de la tubería en movimiento desde la
válvula hacia el embalse con velocidad v; o sea en dirección contraria a la de las figuras,
no hay sobrepresión, pero por la inercia, la presión continua disminuyendo.
7.- La depresión ha alcanzado la mitad de la tubería, la mitad derecha de la tubería
contiene agua en reposo, el diámetro de la tubería en esta mitad es inferior al normal.
8.- El agua en toda la tubería esta en reposo, pero no en equilibrio, la depresión reina en
toda la tubería, el diámetro es inferior al normal.
9.- En la mitad izquierda de la tubería el fluido esta en movimiento con velocidad v hacia
la válvula, en la mitad derecha el liquido continua en resposo y en depresión, en la parte
izquierda el diámetro es normal y en la derecha es menor, con el mismo sentido.
10.- Diametro de la tubería normal, todo el fluido en movimiento con velocidad v hacia la
válvula T= 4t0 =4L/c, este movimiento oscilatorio continuara indefinidamente

15.1.3
El estudio del golpe de ariete fue hecho en primer lugar por Joukowski, mientras que la
solución de los problemas fue dada por Allievi, el cálculo de la sobrepresión depende del
tiempo de cierre de la válvula, el cierre puede ser:
 15.1.3.1
Supongamos que el cierre de la válvula es instantáneo, el fluido se desacelera lo que da

lugar a una fuerza de inercia F, siendo;

Formula de Joukowski (sobrepresión en cierre instantáneo total de la válvula)

(sobrepresión en cierre instantáneo parcial de la válvula)

Jukowski, descubrió la formula siguiente, que permite calcular c, la cual por simplificar
aducimos sin demostración:
4.5.2. Estudiar los problemas 15.1; 15.2 y resolver los problemas
15.3 y 15.4 del mismo libro
4.5.3 Generar un ensayo sobre los efectos del fenómeno de golpe
de ariete cuya extensión máxima sea de 6 hojas, con la siguiente
estructura: introducción teórica, desarrollo y conclusiones.

Fenómeno de golpe de ariete

(Introducción)
Se denomina Golpe de Ariete al fenómeno hidráulico transitorio producido por variaciones
de velocidad en el fluido transportado. Este fenómeno consiste en la propagación de
ondas de presión y depresión a lo largo de las conducciones, debido a la transformación
de energía cinética en energía de presión y elástica. Si el Golpe de Ariete no es
efectivamente controlado puede producir la rotura de la tubería por sobrepresión o por
depresión, así como generar serios problemas de operación.
 
Los transitorios hidráulicos son eventos causados por un cambio en la operación del
sistema que produce una variación de velocidad del fluido, este cambio de velocidad
genera cambios de presión que se propagaran a todo el sistema de tuberías a la
velocidad del sonido, y su celeridad depende de la elasticidad del agua, de las paredes de
la tubería y del suelo.
Las principales consecuencias de los transitorios hidráulicos son: altas presiones,
presiones negativas, separación de la columna de agua llegando inclusive a valores de
cavitación, riesgo sanitario asociado a la intrusión de contaminantes como consecuencia
de las presiones negativas, y como consecuencia de lo anterior rotura de la tubería o
fatiga de la misma a lo largo del tiempo.

Desarrollo
IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE
El análisis de los transitorios hidráulicos es más crítico que el análisis del sistema en
régimen permanente. Las presiones durante el transitorio serán mayores cuando los
cambios de velocidad son más bruscos o repentinos, como por ejemplo durante el cierre
de una válvula o una parada de bombas.
 
Estas perturbaciones pueden ser causadas por la operación del sistema –por ejemplo
cierre de válvula- o por accidentes –por ejemplo parada de bombas por corte de energía-,
y en ambos casos generan ondas de presión de gran magnitud que se suman a las
condiciones de presión ya existentes como consecuencia de la operación del sistema en
régimen permanente; y pueden fácilmente exceder la resistencia de la tubería.

EL GOLPE DE ARIETE Y LA CALIDAD DEL AGUA

El efecto del golpe de ariete sobre la calidad del agua se manifiesta de dos maneras
diferentes, ambas con consecuencias para la salud:
Con el paso del tiempo en las paredes internas de las tuberías se forma una película muy
delgada de micro organismos. Durante los transitorios hidráulicos, cuando los cambios de
presión son importantes, esta fina película se desprende de la pared de la tubería y
permanece en suspensión afectando la calidad del agua.
Las uniones de tuberías con aro de goma (anillo o ‘ring) han sido diseñadas para soportar
únicamente presiones positivas, cuando aparecen presiones negativas durante los
transitorios hidráulicos la unión pierde estanqueidad y elementos que están fuera de la
tubería -como el suelo- ingresan dentro de la tubería. Y si además el nivel de la napa
freática está por encima del nivel de la tubería, ésta ingresa a la tubería cuando la presión
es negativa. En ambos casos contaminando el agua de consumo.
 
 
CATEGORÍAS DE ESTADOS DE OPERACIÓN IMPERMANENTES

El análisis de los transitorios hidráulicos requiere calcular las presiones y caudales

durante un estado impermanente de operación del sistema. Este análisis se puede dividir
en tres categorías principales:
 
1-Periodos de Simulación Extendida o EPS (del inglés Extended Period Simulation).
Comprende transitorios muy lentos, también se la conoce como teoría casi-permanente
(quasi-steady theory), resuelve una secuencia de soluciones de régimen permanente
vinculadas por un esquema de integración. Los efectos inerciales y elásticos no son
tenidos en cuenta. Este enfoque puede ser aplicado en situaciones donde las fuerzas de
aceleración no son significativas.
 
2-Teoría de la Columna de Agua Rígida (Rigid Water Column Theory). Esta segunda
categoría abarca Transientes más rápidos pero todavía lentos, considera que el agua
actúa de forma rígida y no tiene en cuenta las propiedades elásticas de las paredes de la
tubería.
 
3-Teoría del Golpe de Ariete (Waterhammer Theory). Esta última categoría
corresponde a los Transientes rápidos y toma en consideración la elasticidad de la pared
de la tubería y la del fluido. Aplicable a situaciones donde el cambio de velocidad del flujo
es rápido o repentino, por ejemplo cierre brusco de válvulas o parada de bombas, en
estos casos es necesario considerar la compresibilidad del líquido y la elasticidad de las
paredes de la tubería. Para este tipo de flujo impermanente, el fenómeno transitorio se
desarrolla en forma de ondas de presión que viajan a la velocidad del sonido. Las ondas
de presión son generadas por los cambios de velocidad y su intensidad depende de las
propiedades elásticas antes mencionadas. Las ondas de presión se propagan a lo largo
de todo el sistema de tuberías y son parcialmente transmitidas y reflejadas en todas las
discontinuidades del sistema.

CAUSAS DEL GOLPE DE ARIETE

En acueductos, redes, y demás sistemas de transporte de fluidos, las principales causas

de los transitorios hidráulicos son:

-Parada o arranque de bombas

-Apertura o cierre de válvulas
-Cambios de nivel en tanques y reservorios
-Cambios bruscos de demanda
-Rotura de tuberías
-Llenado y vaciado de tuberías

MODELACIÓN HIDRÁULICA PARA EL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

A lo largo del tiempo se han desarrollado distintos métodos gráficos y numéricos para
resolver transitorios hidráulicos. Actualmente los dos métodos de cálculo más relevantes
son el Método de las Características (resolución de ecuaciones diferenciales) y el Método
de la Onda Característica (cálculo y seguimiento de ondas de presión en el sistema).
Ambos métodos obtienen los mismos resultados, el segundo necesita menos pasos para
llegar a la solución y por lo tanto es más rápido. Debido a la alta capacidad de
procesamiento de las computadoras personales actuales, esta diferencia en el tiempo de
resolución se hace evidente en sistemas con gran cantidad de nodos y dispositivos
incorporados (por ejemplo válvulas de aire).

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ANTI ARIETE

Se recomienda que la protección anti ariete dependa de dispositivos confiables que eviten
las presiones negativas y las sobrepresiones, y que sean de larga vida útil y escasa
necesidad de mantenimiento. La selección y dimensionado de cualquier tipo de dispositivo
de protección anti ariete se realiza mediante modelación matemática del transitorio
hidráulico.

Las ventosas o válvulas de aire prestan un necesario servicio durante el vaciado, llenado
y purga de la tubería cuando ésta trabaja en régimen permanente. Pero como son un
dispositivo susceptible de falla y necesitan mantenimiento, se utilizan como elemento de
protección auxiliar o secundario. Las ventosas o válvulas de aire que mejor respuesta
brindan como dispositivos de protección anti ariete son las de tipo anti golpe con áreas de
orificio de entrada y salida disimétricos. Existen también ventosas con disco anti golpe de
ariete que si bien brindan una mejor respuesta que las válvulas de aire tradicionales, son
inferiores a las disimétricas.

La válvula anticipadora de ondas -SAV del inglés Surge Anticipating Valve- es un

dispositivo útil en sistemas donde el perfil es netamente ascendente ya que solo pueden
disipar presiones positivas, pero no tienen ningún efecto sobre las peligrosas presiones
negativas presentes en la mayoría de los sistemas, por lo que su campo de utilización es
limitado.

Los tanques hidroneumáticos pueden ser con compresor, con membrana, o híbridos
(ARAA). Los  dos primeros cumplen la misma función hidráulica, son dispositivos con
capacidad de almacenar energía por lo tanto pueden eliminar tanto presiones negativas
como positivas. Respecto a la membrana o vejiga, su función es simplificar el método de
regulación; la diferencia esencial radica en el hecho de que el agua y el aire comprimido
están separados y no se produce disolución como ocurre en los tanques convencionales,
que deben estar vinculados a compresores para compensar la pérdida por disolución del
aire comprimido. El tanque hidroneumático híbrido, o de tubo de inmersión, o ARAA por
sus siglas del Francés, tiene una conexión a la atmosfera y su funcionamiento específico
le permite operar sin necesidad de membrana ni de compresor. Solo puede ser utilizado
en sistemas donde se producen paradas programadas de bombas al menos una vez al
día.

Otros dispositivos disponibles son las chimeneas de equilibrio y los tanques

unidireccionales, ambos son abiertos a la atmosfera, tienen una limitada capacidad de
almacenar energía, y en algunos sistemas pueden ser utilizados como dispositivo de
protección principal o auxiliar en combinación con alguno de los dispositivos
mencionados. También se puede en algunos casos utilizar un by-pass como dispositivo
de protección. Es la modelación matemática del impermanente la que permite seleccionar
el  dispositivo más adecuado.

Existen otros dispositivos menos comunes como los volantes de inercia, discos de
ruptura, etc. Tienen limitaciones operativas y económicas.

Conclusiones
La importancia del golpe de ariete es conocer las presiones máximas y mínimas en todos
los puntos del sistema a lo largo de un determinado periodo de tiempo, ya que estas
ondas de presión que ocurren durante los transitorios hidráulicos se van disipando en el
tiempo por acción de la fricción de la tubería, cabe mencionar que tanto el Golpe de
Ariete como la oscilación se refieren a presiones transitorias y, si no se controlan, ambas
darán los mismos resultados: daños a las tuberías, accesorios y válvulas, causar fugas y
reducir la vida útil del sistema hidráulico.