13-06-2019 | Publicado por Joaquín Martí
El agua es intrínsecamente blanda, al fin y al cabo se trata normalmente de un líquido; es más, su contacto tiende a ablandar muchos materiales. Pero todo eso puede resultar engañoso, pues en algunas condiciones su potencia es realmente temible.
Hay muchos casos en que su potencia dinámica se evidencia claramente, como en las avenidas, las olas y los tsunamis. Otros son menos dramáticos, como las enormes presiones que el agua ejerce silenciosamente a grandes profundidades. Hoy quiero recordar un caso específico, el del golpe de ariete.
La conservación de la cantidad de movimiento implica que cualquier cambio en la velocidad del agua venga acompañado de un cambio en su presión. Para cambios moderados, el llamado efecto Venturi se usa en múltiples aplicaciones, en carburadores, en equipos de limpieza, para hacer el vacío o aforar el caudal en tuberías.
Si el cambio de velocidad es muy rápido, como al cerrar bruscamente una válvula, las presiones generadas son muy elevadas, dando lugar a lo que se conoce como el golpe de ariete.
Ya en el siglo I a.C. Vitruvio describió el efecto en las tuberías de plomo del sistema romano de suministro de agua. Y en esa misma época los romanos empezaron a extraer oro en Las Médulas (León), donde hacían uso del poder destructivo del golpe de ariete para demoler montañas, entre cuyos escombros buscaban luego el oro. Resulta sorprendente que el primer tratamiento moderno del fenómeno no se deba a ingenieros civiles, sino a un fisiólogo alemán del siglo XIX que investigaba el pulso en los vasos sanguíneos.
También existen los golpes de ariete negativos. Los sistemas hidráulicos se ensayan a presiones superiores a la de operación. Si el tapón de cierre falla en el curso del ensayo, el agua sale expulsada a una velocidad en m/s aproximadamente igual a la presión preexistente en MPa. Además, esa información se propaga en el sistema a 1 km/s y, al llegar a un contorno fijo, el cambio de presión intentará crecer al doble. Ello dará lugar a cavitación y, siendo el vapor de agua mucho más dilatable que el líquido, se producirán columnas de líquido desplazándose con velocidades distintas.
Al reencontrarse esas columnas de agua, entre burbujas de vapor que colapsan, habrá nuevos cambios de velocidad y se generarán excursiones de presión potencialmente superiores a la que ocurrió al comienzo del evento. Las demandas producidas son muy exigentes, puesto que en principio ni el sistema hidráulico ni sus soportes fueron proyectados para hacer frente a estos transitorios extremos.
Principia tiene experiencia en la modelización de este tipo de eventos. No es fácil, pues el problema de fluidos está acoplado con el estructural; de hecho, la razón por la que los resultados son finitos es que el agua es compresible y la tubería deformable, efectos ambos que son pequeños pero del mismo orden de magnitud. El problema se complica aún más por los sucesivos cambios de fase que experimenta el agua, de líquido a vapor y de vapor a líquido.
En suma, se trata de un problema técnicamente muy exigente, resoluble sólo acudiendo a la simulación sofisticada; nosotros empleamos Abaqus, actualmente integrado en la plataforma colaborativa 3DEXPERIENCE. Y estamos orgullosos de haberlo hecho con éxito y de haber podido confirmar nuestros resultados con los que produjo la naturaleza.
Por supuesto, no podemos hacerlo todo. Pero podemos hacer muchas cosas, incluidas algunas muy difíciles.
