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Efectos del aire atrapado en transitorios hidráulicos.
En los acueductos a bombeo el análisis de los transitorios hidráulicos se hace generalmente asumiendo que no hay aire atrapado en los mismos. Sin embargo, en muchos de estos sistemas el aire puede ser introducido a través de los sellos defectuosos de las juntas y las válvulas, cuando se presenta una presión menor a la atmosférica en la tubería. Además, es bien sabido que el agua contiene aproximadamente un 2% de aire disuelto, si la presión baja o la temperatura del agua aumenta el aire escapa de la solución y forma pequeñas bolsas de aire, que pueden migrar a los puntos altos o intermedios de la tubería y unirse al aire que pudo haber quedado acumulado por un mal purgado de la conducción. Asimismo, las bombas pueden introducir entre un 5% y 10% de aire por volumen de agua mediante los vórtices que se forman en la succión de éstas.
La explicación física del porqué las bolsas pequeñas generan elevadas sobre presiones, por un lado se debe a la baja densidad del aire, es decir a su baja inercia que lo hace fácil de comprimir. Por el contrario, cuando las bolsas de aire son grandes, éstas actúan como un colchón de aire o amortiguador el cual ayuda a reducir las presiones transitorias. Gahan después de realizar una revisión extensiva y detallada de las investigaciones relativas a los transitorios hidráulicos con aire atrapado resalta, que el criterio que establece si una bolsa de aire es pequeña o grande dependerá de su efecto en los transitorios.
2. Aire en conductos a presión
2.1. Bolsas de aire
El aire atrapado en los conductos a presión puede migrar a sus puntos altos, donde no hay válvulas de aire o ventosas instaladas y formar bolsas de aire que pueden quedar estacionarías, cuando la fuerza de arrastre del flujo no es capaz de vencer la fuerza de flotación de las bolsas. En el mismo sentido, si la línea de piezométrica corta la tubería en las cimas de la conducción donde hay ventosas colocadas, el aire se va a introducir y formará bolsas de aire que estarán a presión atmosférica y el flujo debajo de éstas será a superficie libre.
Si una bolsa de aire se extiende hacia aguas abajo de una tubería con pendiente descendente, el tirante crítico o calado crítico puede ser mayor que el tirante en el extremo final de la bolsa, por lo tanto se va a presentar un salto hidráulico que introducirá aire en forma de pequeñas burbujas, que pueden aglutinarse y formar burbujas más grandes y pequeñas bolsas de aire, formando una mezcla de agua-aire .
2.2. Entrada de aire a través de un salto hidráulico
La transición de flujo a superficie libre a flujo presurizado en tubos con pendiente descendente ocurre generalmente mediante un salto hidráulico, que debido a su acción turbulenta introduce aire hacia aguas abajo del conducto. Al ser transportado el aire hacia aguas abajo por el flujo de agua, las pequeñas burbujas de aire pueden unirse y formar burbujas de mayor tamaño y pequeñas bolsas de aire. Dependiendo del caudal de agua y de la pendiente de la tubería, el aire avanzará o regresará a contra flujo a través del salto.
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| Bolsa de aire estacionaria |
2.3. Transporte de aire en tuberías
Hasta ahora la discusión se ha enfocado en el proceso de entrada de aire mediante un salto hidráulico a una tubería. Por otra parte, igual de importante es el proceso de transporte del aire en un conducto que fluye completamente lleno de agua. Cuando el aire se encuentra en la zona a tubo lleno, pueden presentarse dos fenómenos, que el aire regrese a contra flujo o que sea transportado hacia aguas abajo, tal como se muestra en la fig. anterior.
Investigaciones teóricas y experimentales se han realizado para estudiar la habilidad de los vórtices para atrapar burbujas de aire en sus núcleos e impulsarlas una distancia considerable, hacia aguas abajo del punto de entrada. Las principales fuerzas que actúan sobre las burbujas de aire son las fuerzas de arrastre y de flotación.
La cantidad de aire transportado en tuberías con pendientes descendentes no sólo depende de la cantidad de aire introducida, sino también de las condiciones aguas abajo del punto de entrada y de la pendiente de la tubería. Si las condiciones de flujo son capaces de remover las burbujas, es decir, la velocidad del flujo es mayor a la velocidad de remoción, entonces el parámetro más importante que afecta el arrastre o el transporte de aire hacia aguas abajo es la relación entre la longitud y el diámetro del conducto (L/D) aguas abajo del punto de entrada de aire. Existen por lo menos tres diferentes relaciones de L/D que afectan el transporte de aire. Por ejemplo, cuando L/D < 5 el aire introducido en el punto de entrada es transportado hacia aguas abajo y removido por completo del tubo. Para una relación 5 < L/D < 20 las burbujas de aire van a elevarse hacia el techo de la tubería debido a su fuerza de flotación, asimismo, estas burbujas van a unirse entre sí para formar pequeñas bolsas de aire, que se van a mover pegadas a la clave del tubo. En este caso el régimen de flujo que se presenta es el de una mezcla de agua con burbujas y pequeñas bolsas de aire que pueden llegar a ser expulsadas de la tubería. Finalmente, para L/D > 20 las burbujas de aire se unen y forman bolsas de aire que se adhieren al techo de la conducción, las cuales sólo podrán ser removidas si el flujo tiene la capacidad de transportarlas. Cuando las bolsas de aire se hacen más grandes, su velocidad disminuye y su fuerza de flotación aumenta, hasta llegar a un punto donde las bolsas regresan a contra flujo a través del salto hidráulico para volver a formar parte de la bolsa de aire estacionaria.
El caso ideal sería que las burbujas y bolsas de aire fuesen removidas de la conducción por el flujo de agua. Por tanto, varios investigadores han analizado el movimiento del aire en conductos a presión, enfocándose principalmente en la velocidad de remoción también llamada velocidad crítica, es decir la velocidad mínima del agua necesaria para expulsar el aire de la conducción. Para tal fin, algunos utilizaron burbujas estacionarias en un tubo con flujo a tubo lleno, mientras que otros analizaron el movimiento de burbujas en tubos llenos de agua estática.
3. Volumen de las bolsas de aire
Debido a que en la literatura no se reporta ninguna metodología para evaluar el volumen de las bolsas de aire que se acumulan en los puntos altos de los conductos a presión, Pozos realizó una investigación teórica-experimental con el fin de obtener una expresión analítica (ecuación [2]) para calcular el volumen de aire en las bolsas que podrían quedar atrapadas a lo largo de una conducción.
El autor explica que el flujo debajo de las bolsas de aire puede ser considerado análogo al flujo en un canal abierto. La presión sobre la superficie de un canal abierto es la atmosférica, por otra parte la presión sobre la superficie de la bolsa de aire, aunque no atmosférica, es constante a lo largo de la misma. Por tanto, se concluyó que la teoría del flujo gradualmente variado (FGV) se puede utilizar para calcular los perfiles de flujo debajo de las bolsas.
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