Desarrollo de una metodología de caracterización de válvulas de aire en admisión mediante técnicas computacionales

Abstract

La operación de los sistemas de abastecimiento de agua implica procedimientos que pueden generan eventos hidráulicos dañinos para la infraestructura. Un claro ejemplo es el vaciado de tuberías que produce presiones negativas y puede causar el colapso del sistema. Convencionalmente, este tipo de problemas se se soluciona el problema de subpresiones válvulas de aíre (ventosas) a lo largo de la tubería, siguiendo las recomendaciones de la normativa vigente o de los fabricantes. Sin embargo, una selección inapropiada del tamaño y ubicación de la válvula de aire no sólo produce presiones por debajo de la atmosférica sino también un drenaje lento del sistema. Por ello, para la de admisión se recomienda que el volumen de aire admitido por las válvulas de aire sea el mismo que el volumen de agua drenado. Este trabajo toma como punto de partida la falta de fiabilidad de la información técnica proporcionada por algunos fabricantes. Es decir, las curvas características de admisión y expulsión de las ventosas recogidas en los catálogos no coinciden con los resultados experimentales de laboratorio. Esto genera un desconocimiento de la capacidad real de admisión de la ventosa, que lleva asociado una selección de válvulas de aire con capacidades reales de admisión notablemente inferiores a las requeridas. En definitiva, la inadecuada selección de la válvula de aire acaba poniendo en peligro la instalación en la que están instaladas. En España, la norma UNE-EN 1074-4, indica que las características facilitadas por el fabricante de válvulas de aire deben ser el caudal de aire en función de la presión, y determina cuales son los métodos de ensayo para determinar las características neumáticas de la ventosa. Específicamente, el apéndice B concerniente a la función de admisión indica que la instalación de ensayo debe ser capaz de crear un caudal de aire del exterior al interior de la válvula, bien mediante una presión negativa bajo la válvula o mediante una presión positiva alrededor o dentro de la válvula. Esta metodología de ensayo resulta cuestionable ya que la verificación del correcto funcionamiento de la válvulas de aire se garantiza únicamente con el primer procedimiento. No obstante, este método de ensayo tiene una elevada complejidad experimental por las necesidades tecnológicas y energéticas requeridas. Es por ello que se buscan alternativas para la caracterización de este tipo de elementos. Actualmente el avance de la dinámica de fluidos computacional (CFD) ha proporcionado la base para una mayor comprensión de la dinámica de flujos, aplicando distintos modelos permiten analizar varios escenarios a un coste relativamente bajo. Es por ello que se emplearán técnicas computacionales para determinar las características de admisión de aire de las válvulas de aire. Así, el objetivo principal del trabajo es establecer una metodología que permita predecir las características neumáticas de admisión de una válvulas de aire utilizando como base técnicas computacionales CFD. Para ello se definirá inicialmente el modelo geométrico de la válvula a representar, discutiendo la influencia que tiene la consideración o no de tramos de tranquilización del flujo aguas arriba y aguas abajo del elemento. Posteriormente se analizarán las diferentes posibilidades de análisis del flujo compresible en la válvula de aire. En esta fase de utilizarán resultados experimentales de ensayos reales realizados para validar los modelos computacionales obtenidos. Asimismo, deberá abordarse un estudio de la influencia que la malla tiene en la obtención de los resultados finales. Dado que los tiempos de computación esperados son elevados se propone un método alternativo para la obtención de la curva característica de la ventosa. Este método se basa en analizar las diferentes expresiones existentes de representación del comportamiento de una válvulas de aire. Se analizarán l

The operation of water supply systems involves procedures that can generate hydraulic events harmful to the infrastructure. A clear example is the emptying of pipes that produces negative pressures and can cause the collapse of the system. Conventionally, this type of problem solves the problem of subpressures air valves (suction cups) along the pipeline, following the recommendations of current regulations or manufacturers. However, an inappropriate selection of the size and location of the air valve not only produces pressures below atmospheric but also slow drainage of the system. Therefore, for the intake it is recommended that the volume of air admitted by the air valves be the same as the volume of drained water. This work takes as a starting point the lack of reliability of the technical information provided by some manufacturers. That is to say, the characteristic curves of admission and expulsion of the suckers collected in the catalogs do not coincide with the experimental laboratory results. This generates a lack of knowledge of the actual suction capacity of the suction cup, which is associated with a selection of air valves with actual intake capacities that are significantly lower than those required. In short, the inadequate selection of the air valve ends up endangering the installation in which they are installed. In Spain, the standard UNE-EN 1074-4, indicates that the characteristics provided by the manufacturer of air valves should be the air flow as a function of pressure, and determines which are the test methods to determine the pneumatic characteristics of the suction cup Specifically, Appendix B concerning the intake function indicates that the test facility must be capable of creating an air flow from outside to the inside of the valve, either by a negative pressure under the valve or by positive pressure around or inside the valve. from valvule. This test methodology is questionable since the verification of the correct functioning of the air valves is guaranteed only with the first procedure. However, this test method has a high experimental complexity due to the technological and energy needs required. That is why alternatives are sought for the characterization of this type of elements. Currently the advancement of computational fluid dynamics (CFD) has provided the basis for a better understanding of the dynamics of flows, applying different models to analyze several scenarios at a relatively low cost. That is why computational techniques will be used to determine the air intake characteristics of the air valves. Thus, the main objective of the work is to establish a methodology that allows predicting the pneumatic characteristics of the intake of an air valve using CFD computational techniques as a basis. For this purpose, the geometrical model of the valve to be represented will be initially defined, discussing the influence of the consideration or not of transecting sections of the flow upstream and downstream of the element. Subsequently, the different possibilities of analysis of the compressible flow in the air valve will be analyzed. In this phase they will use experimental results of real tests carried out to validate the computational models obtained. Also, a study of the influence that the mesh has on obtaining the final results should be addressed. Given that the expected computation times are high, an alternative method for obtaining the characteristic curve of the suction cup is proposed. This method is based on analyzing the different expressions of representation of the behavior of an air valve. The expressions that make the best adjustments will be analyzed. The methodology to develop is based on using these theoretical expressions as a basis for the preparation of the characteristic curve of the air valves. However, the determination of the characteristic coefficients of the model of the air valves will be obtained from the results of the analysis by means of CFD techniques