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water flow (design object variable),the subpressure under the water jetand the jump lengh of that jet. Inthe research those three variableswere studied using dimensionalanalysis and multivariableregresions in order to find a set ofthree equationes that allow thedesing of this type of structures. Thenew equations are more generalthan those reported in technicalliterature.AdEeKmKIdLQQaReTeVWY eaAp$µaI-rwPaPwGLOSARIO DE TERMINOS: Area del ducto: Número de Euler: Coeficiente de pérdidasmenores: Rugosidad del ducto: Longitud del ducto: Longitud del salto: Caudal de aire: Caudal de agua: Numero de Reynolds: Altura del escalón: Altura de la rampa: Velocidad del agua: Número de Weber: Profundidad del agua: Pendiente de la rápida: Subresión bajo la napa: Angulo de inclinación: Viscosidad del aire: Viscosidad del agua: Densidad del aire: Densidad del agua: Tensión superficialpersión, el flujo puede alcanzarfácilmente la persión de vapor deagua, con lo que se generanburbujas de vapor en el fluido queson arrastradas por el flujo haciazonas donde la persión vuelve aser hidrostática; allí, las burbujas sereducen súbitamente debido aque el vapor dentro de ellas secondensa produciéndose unaimplosión o reducción violenta devolumen (del orden de 100 a 1.000veces) en milésimas de segundo. Siestas burbujas están en contacto ocerca a la superficie de concretode la estructura cuando ocurre elfenómeno, las fuerzas ejercidas porel líquido contra las cavidadescrean persiones localizadas muyaltas que causan desprendimientodel material que compone dichasuperficie. Hamilton (1), (2), (3) hacalculado que el orden demagnitud de la presión contra lasparedes durante el colapso de unaburbuja llega a 10,204 kg/cm 2 (108Pascales) actuando en un área yun tiempo infinitamente pequeños.La erosión por cavitación en elcaso del concreto, deja unasuperficie cortada alrededor de laspartículas duras del agregadomostrando bordes irregulares yrugosos. La erosión progresa enforma rápida después de unperíodo inicial en el cual lasuperficie se llena de pequeñoshoyos; este fenómeno se puedeexplicar por: a) El materialinmediatamente debajo de lasuperficie es más vulnerable alataque; b) Los impactos seconcentran alrededor de loscráteres ya creados debido a lageometría de estos; c) El materialde la superficie se debilita porrepetición de cargas (Fatiga); d) Laerosión progresa a partir de loshoyos iniciales debido a que estosse convierten en nuevas zonas desubpresión. En la mayoría de loscasos se ha reportado latendencia de la erosión a seguir lamatriz cementante, ignorando lapresencia del agregado. Lasmicrofisuras tanto en la superficiecomo entre la pasta y el agregadose han identificado comointensificadores del daño porcavitación. Ondas de presióncausadas por este fenómeno en elagua que llena las fisuras, causanesfuerzos de tensión que actúanpropagándolas. Las ondassiguientes llevan aldesprendimiento del material. Unavez que la erosión ha empezadoen un punto determinado, elagregado expuesto se convierteen un nuevo generador decavidades de vapor lo que dalugar a una nueva erosión aguasabajo iniciando un proceso de1. INTRODUCCIONLos proyectos hidroeléctricos queinvolucran presas altas usualmenteestán provistos de estructuras dedescarga o rebosaderos en loscuales se presentan flujos de altavelocidad. En estos flujos existe unaalta probabilidad que se presentenproblemas de cavitación y susconsecuentes problemas deerosión en las superficies deconcreto expuestas al flujo.La cavitación se presenta en laszonas de baja persión, las cualesaparecen por problemas dediseño o malos acabados en lassuperficies. En estas zonas de baja2REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES
destrucción irreversible.Cuando el régimen del flujo seencuentra alterado, al proceso seincorporan nuevos mecanismosque empiezan a actuar sobre lasuperficie: a) Choque del flujo dealta velocidad sobre lasirregularidades de la superficie deconcreto: b) Vibración del acerode refuerzo, asociado a la fallamecánica. Por último se empiezana arrastrar grandes cantidades dematerial y la estructura colapsa.Para prevenir los problemas deerosión por cavitación, existen tresmétodos posibles. El primero deellos es evitar al máximo los malosacabados de la superficie deconcreto con el fin de evitar zonasde baja presión. Para ésto esnormal adoptar las toleranciasconsignadas en el StandardTolerances for ConcreteConstruction and Materials, comité117 del American ConcreteInstitute -ACI-; sin embargo,cuando se refiere al acabado desuperficies sometidas a flujos dealta velocidad las especificacionesse hacen más exigentes y, porconsiguiente, más difíciles decumplir, especialmente porquepuede existir ataques de tipoquímico o atmosférico. El segundométodo es utilizar materialesresistentes a las altas presiones y larepetición constante de ellas. Todolo relacionado con ésto seencuentra en el reporte del comité210 del ACI; algunas solucionespropuestas son: a) Concretoreforzado con fibra (FRC); b)Concreto impregnado conpolímero (PIC); c) Concreto concemento Portland polimerizado(PPCC); d) Acabados metálicos enlas superficies; y e) Coberturasflexibles de poliuretano yneopreno. Todas las anterioressoluciones son difíciles deimplantar, especielmente si elproyecto se encuentra en zonasalejadas de centrosindustrializados.El tercer método es airearartificialmente el flujo. El sentidofísico del efecto benéfico del aireal flujo se puede entender de lasiguiente manera: las burbujas deaire son superficies dediscontinuidad en el seno delagua. Una vez que esta mezclaagua-aire alcanza una zona debaja presión, el vapor de aguatiende a formarse en esasdiscontinuidades, es decir, dentrode las burbujas de aire las cualesaumentan su tamaño debido alvolumen de vapor que incorporany viajan con el flujo hacia zonas depresión normal. Allí el vapor deagua se condensa y el volumen dela burbuja se reduceviolentamente pero sin llegar adesaparecer, lo cual impide laformación del microchorroresponsable de las altas presionestípicas del fenómeno decavitación (13).2. AIREACION ARTIFICIALCOMO PROTECCIONCONTRA LA CAVITACION.ANTECEDENTES.En 1940 se realiza la primeraaplicación para airear el flujocomo procedimiento para laprevención de la cavitación. Losestudios y trabajos fueronrealziados por Kalinske y Roberstons(4) y se desarrollaron en la presaTygart. Tan solo en el año 1945 sehacen los primeros escritos, loscuales se publican en las memoriasdel simposio del American Societyof Civil Engineers -ASCE-, sobrecavitación en estructurashidráulicas (5). En conductos dedescarga, la primera aplicación dela aireación del flujo se realizó en lapresa de Grand Coulee, en el año1959. En rápidas, las primerasaplicaciones se realizaron entre losaños de 1969 y 1970 en losproyectos de Yellowtail en losEstados Unidos, Sirikit en Tailandia yBratsk en la antigua URSS. Despuésdel accidente registrado en Karum,Irán, en 1977, la necesidad deaireación en los flujos de altavelocidad se hizo evidente.Experiencias registradas engrandes proyectos como Foz deAreia y Emborcacao en Brasil, Gurien Venezuela, Tarbela en Pakistán,entre otros, han demostrado que laaireación del flujo en formaartificial es una maneraeconómica y segura de prevenirlos daños causados por lacavitación.Paralelo a los proyectos realizados,varios investigadores han venidoestudiando la aireación del flujocomo elemento de prevención dela cavitación, queriendoestablecer, ya sea de formaanalítica o empírica, ecuacionesque expliquen el comportamientode las diferentes variablesinvolucradas en el fenómeno. Losprimeros experimentos sobre laaireación como protección contrala cavitación fueron realizados porPeterka en 1955. Peterka hizo dosseries de experimentos: en laprimera de ellas trabajó conmetales propios de maquinariashidráulicas, como bombas yturbinas, en la segunda serietrabajó con Venturi que producíavelocidades de hasta 30 m/s. Lasconclusiones de Peterka (6), (7)muestran que una concentraciónde aire de 7.4% es suficiente paraprevenir la erosión del concreto, yque cantidades pequeñasentre el 1% y 2% tienen un efectosignificativo en la reducciónde ésta.En los estudios realizados porVolkart para descargas específicasaltas se encontró que la aireaciónnatural del flujo no es losuficientemente grande parallegar a introducir concentracionesde aire del orden del 7% en laregión cercana al fondo, debido aque la entrada de aire provienentede la capa límite turbulenta amenudo no alcanza dicha región(8). Por ésto se hace necesariocrear mecanismos artificiales paraintroducir aire al flujo desde elfondo o regiones de contacto. Pany Pinto (5) han sido los primerosinvestigadores en presentar unaaproximación en cuanto a lademanda relativa de aire, IR = Qa/Q; Pinto, ha desarrollado susestudios con base en los modelos yprototipos de los proyectos de Fozde Areida y Tarabela, en donde hamedido las demandas de aire y haobservado los efectos de escala.Pinto ha llegado a la conclusión deREVISTA DE INGENIERIA UNIANDES3
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