Golpe de ariete

Juntas de dilatación en una conducción de vapor destruidas por un “golpe de ariete”.

El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería.

Cálculo del golpe de ariete

Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como

,

donde:

  • es el incremento de presión, expresado en unidades de altura piezométrica.
  • es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión,
  • es la velocidad media del fluido, en régimen,
  • es la aceleración de la gravedad.

A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:

donde:

  • es el módulo elástico del fluido ó módulo de Bulk,
  • es la densidad del fluido,
  • es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma,
  • es el espesor de las paredes de la tubería,
  • es el diámetro de la tubería.

Para el caso particular de tener agua como fluido:

A partir de esta expresión se llega a la fórmula de Allievi (denominada así por Lorenzo Allievi (1856-1941), el ingeniero italiano que la desarrolló):

donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor:

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.

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