[ES] El análisis de los fenómenos transitorios durante las operaciones de llenado en conducciones de agua ha sido estudiado de manera detallada comparado con las maniobras de vaciado. En este último se encontró que no existen modelos matemáticos capaces de predecir el fenómeno. Esta investigación inicia estudiando el fenómeno transitorio generado durante el vaciado en una tubería simple, como paso previo para entender el comportamiento de las variables hidráulicas y termodinámicas durante el vaciado de agua en conducciones presurizadas de perfil irregular. Los análisis son realizados considerando dos situaciones: (i) la situación No. 1 corresponde al caso donde no hay válvulas de aire instaladas o cuando éstas han fallado por problemas operacionales o de mantenimiento, que representa la condición más desfavorable con respecto a la depresión máxima alcanzada; y (ii) la situación No. 2 corresponde al caso en donde se han instalado válvulas de aire en los puntos más elevados de la conducción para dar fiabilidad mediante el aire introducido al sistema previniendo de esta manera la depresión máxima. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo matemático para predecir el comportamiento de las operaciones de vaciado. El modelo matemático es propuesto para las dos situaciones mencionadas anteriormente. La fase líquida (agua) es simulada con un modelo de columna rígida, en el cual se desprecia la elasticidad del agua y de la tubería debido a que la elasticidad del aire es mucho mayor que estas; y la interfaz aire-agua es modelada con un modelo de flujo pistón, el cual asume que la columna de agua es perpendicular a la dirección principal del flujo. La fase de aire es modelada usando tres ecuaciones: (a) un modelo politrópico basado en el comportamiento energético, que considera la expansión de las bolsas de aire; (b) la formulación de las válvulas de aire para cuantificar la magnitud del caudal de aire admitido; y (c) la ecuación de continuidad de la bolsa de aire. Un sistema ordinario de ecuaciones diferenciales es solucionado utilizando la herramienta de Simulink de Matlab. El modelo matemático es validado empleando bancos experimentales localizados en los laboratorios de hidráulica de la Universitat Politècnica de València (Valencia, España) y en el Instituto Superior Técnico de la Universidad de Lisboa (Lisboa, Portugal). Los resultados muestran que el modelo matemático predice adecuadamente los datos experimentales de las presiones de las bolsas de aire, las velocidades del agua y las longitudes de las columnas de agua. Finalmente, el modelo matemático es aplicado a un caso de estudio para mostrar su aplicabilidad a situaciones prácticas, con el fin de poder ser empleado por ingenieros para estudiar el fenómeno en conducciones reales y así tomar decisiones acerca de la planificación de esta operación. / [CAT] L'anàlisi dels fenòmens transitoris durant les operacions d'ompliment en conduccions d'aigua ha sigut estudiat de manera detallada comparat amb les maniobres de buidatge. En este últim es va trobar que no hi ha models matemàtics capaços de predir el fenomen. Esta investigació inicia estudiant el fenomen transitori generat durant el buidatge en una canonada simple, com a pas previ per a entendre el comportament de les variables hidràuliques i termodinàmiques durant el buidatge d'aigua en conduccions pressuritzades de perfil irregular. Les anàlisis són realitzats considerant dos situacions: (i) la situació No. 1 correspon al cas on no hi ha vàlvules d'aire instal·lades o quan estes han fallat per problemes operacionals o de manteniment, que representa la condició més desfavorable respecte a la depressió màxima aconseguida; i (ii) la situació No. 2 correspon al cas on s'han instal·lat vàlvules d'aire en els punts més elevats de la conducció per a donar fiabilitat per mitjà de l'aire introduït al sistema prevenint d'esta manera la depressió màxima. En esta tesi doctoral s'ha desenrotllat un model matemàtic per a predir el comportament de les operacions de buidatge. El model matemàtic és proposat per a les dos situacions mencionades anteriorment. La fase líquida (aigua) és simulada amb un model de columna rígida, en el qual es desprecia l'elasticitat de l'aigua i de la canonada pel fet que l'elasticitat de l'aire és molt major que estes; i la interfície aire-aigua és modelada amb un model de flux pistó, el qual assumix que la columna d'aigua és perpendicular a la direcció principal del flux. La fase d'aire és modelada usant tres equacions: (a) un model politròpic basat en el comportament energètic, que considera l'expansió de les bosses d'aire; (b) la formulació de les vàlvules d'aire per a quantificar la magnitud del cabal d'aire admés; i (c) l'equació de continuïtat de la bossa d'aire. Un sistema ordinari d'equacions diferencials és solucionat utilitzant la ferramenta de Simulink de Matlab. El model matemàtic és validat emprant bancs experimentals localitzats en els laboratoris d'hidràulica de la Universitat Politècnica de València (València, Espanya) i en l'Institut Superior Tècnic de la Universitat de Lisboa (Lisboa, Portugal). Els resultats mostren que el model matemàtic prediu adequadament les dades experimentals de les pressions de les bosses d'aire, les velocitats de l'aigua i les longituds de les columnes d'aigua. Finalment, el model matemàtic és aplicat a un cas d'estudi per a mostrar la seua aplicabilitat a situacions pràctiques, a fi de poder ser empleat per enginyers per a estudiar el fenomen en conduccions reals i així prendre decisions sobre la planificació d'esta operació. / [EN] The analysis of transient phenomena during water filling operations in pipelines of irregular profiles has been studied much more compared to emptying maneuvers. In the literature, there is a lack of knowledge about mathematical models of emptying operations. This research starts with the analysis of a transient phenomenon during emptying maneuvers in single pipelines, which is a previous stage to understand the emptying operation in pipelines of irregular profiles. Analysis are conducted under two typical situations: (i) one corresponding to either the situation where there are no air valves installed or when they have failed due to operational and maintenance problems which represents the worse condition due to causing the lowest troughs of subatmospheric pressure, and (ii) the other one corresponding to the situation where air valves have been installed at the highest point of hydraulic installations to give reliability by admitting air into the pipelines for preventing troughs of subatmospheric pressure. Particularly, this research developed a mathematical model to predict the behavior of the emptying operations. The mathematical model is proposed for the two aforementioned situations. The liquid phase (water) is simulated using a rigid water column model (RWCM), which neglects the pipe and water elasticity given that the elasticity of the entrapped air pockets is much higher than the one from the pipe and the water. The air-water interface is simulated with a piston flow model assuming that the water column is perpendicular with the main direction of the flow. Gas phase is modeled using three formulations: (a) a polytropic model based on its energetic behavior, which considers an expansion of air pockets; (b) an air valve characterization to quantify the magnitude of admitted air flow; and (c) a continuity equation of the air. An ordinary differential equations system is solved using the Simulink tool of Matlab. The proposed model has been validated using experimental facilities at the hydraulic laboratories of the Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain, and the Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Lisbon, Portugal. The results show how the mathematical model adequately predicts the experimental data, including the pressure oscillation patterns, the water velocities, and the lengths of the water columns. Finally, the mathematical model is applied to a case study to show a practical application, which can be used for engineers to study the phenomenon in real pipelines to make decisions about performing of the emptying operation. / Coronado Hernández, ÓE. (2019). Transient phenomena during the emptying process of water in pressurized pipelines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/120024 / TESIS

If air is entrained in a bottom outlet of a dam in an uncontrolled way, the resulting air pockets may cause problems such as blowback, blowout and loss of discharge capacity. In order to provide guidance for bottom outlet design and operation, this study examines how governing parameters affect air entrainment, air-pocket transport and de-aeration and the surrounding flow structure in pipe flows. Both experimental and numerical approaches are used. Air can be entrained into the bottom outlet conduit due to vortex formation at the intake if the intake submergence is not sufficient. The influent of the intake entrance profiles and channel width on the critical submergence were studied in the experiment. The experimental study was performed to investigate the incipient motion of air pockets in pipes with rectangular and circular cross sections. The critical velocity is dependent on pipe slope, pipe diameter, pipe roughness and air-pocket volume. If the pipe is horizontal, air removal is generally easier in a rectangular pipe than in a circular pipe. However, if the pipe is downward-inclined, air removal is easier in a circular pipe. When a bottom outlet gate opens, air can become entrained into the conduit in the gate shaft downstream of the gate. Using FLUENT software, the transient process of air entrainment into a prototype bottom outlet during gate opening is simulated in three dimensions. The simulations show in the flow-pattern changes in the conduit and the amount of air entrainment in the gate shaft. The initial conduit water level affects the degree of air entrainment. A de-aeration chamber is effective in reducing water surface fluctuations at blowout. High-speed particle image velocimetry (HSPIV) were applied to investigate the characteristics of the flow field around a stationary air pocket in a fully developed horizontal pipe flow. The air pocket generates a horseshoe vortex upstream and a reverse flow downstream. A shear layer forms from the separation point. Flow reattachment is observed for large air pockets. The air―water interface moves with the adjacent flow. A similarity profile is obtained for the mean streamwise velocity in the shear layer beneath the air pocket. / <p>QC 20140211</p>

One of the best opportunities to reduce pipeline accidents and subsequent product loss comes from implementing better pipeline condition assessment and fault detection systems. Transient analysis model based condition assessment is the most promising technique because pressure transients propagate entire system interacting with the pipe and any devices in the system. Transient measurements embody a large amount of information about the physical characteristics of the system. The performance of this technique has its difficulties because a highly accurate transient model is required. Real systems have numerous uncertainties and flow system components that presents a major challenge in the development of precise transient analysis models. To improve transient modelling for the performance of condition assessment, this research undertakes a comprehensive investigation into the transient behaviour of distributed and various local energy loss system components in water and gas pipelines. The dynamic behaviours that have been investigated in this research are the effect of unsteady wall resistance, viscoelasticity effects of polymer pipe, and local energy loss elements including leakages, entrapped air pockets, orifices, and blockages during unsteady pipe flow conditions. The dynamic characteristics of these system components are modelled based on the conservative solution scheme using the governing equations in their conservative form. Use of the conservative form of the equations improves the sensitivity and applicability of transient analysis in both liquid and gas pipeline systems. The numerical model results are compared to laboratory experiments in water and gas pipelines to observe the interaction between transient pressure wave and system components and to verify the proposed models. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1337145 / Thesis( Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Civil, Environmental and Mining Engineering 2008

Ce travail est consacré à la modélisation mathématique et numérique des écoulements eau-air en conduite qui interviennent notamment dans les centrales de production d’électricité ou les réseaux d’eaux usées. On s’intéresse particulièrement aux écoulements mixtes caractérisés par la présence de régimes stratifiés pilotés par des ondes gravitaires lentes, de régimes en charge ou secs (conduite remplie d’eau ou d’air) pilotés par des ondes acoustiques rapides, et de poches d’air piégées. Une modélisation précise de ces écoulements est nécessaire afin de garantir le bon fonctionnement du circuit hydraulique sous-jacent. Alors que la plupart des modèles disponibles dans la littérature se concentrent sur la phase eau en négligeant la présence de l’air, un modèle bicouche compressible prenant en compte les interactions eau-air est proposé dans cette thèse. Sa construction réside dans l’intégration des équations d’Euler barotropes sur la hauteur de chaque phase et dans l’application de la contrainte hydrostatique sur le gradient de pression de l’eau. Le modèle obtenu est hyperbolique et satisfait une inégalité d’entropie en plus d’autres propriétés mathématiques notables, telles que l’unicité des relations de saut ou la positivité des hauteurs et densités de chaque phase. Au niveau discret, la simulation d’écoulements mixtes avec le modèle bicouche compressible soulève plusieurs défis en raison de la disparité des vitesses d’ondes caractérisant chaque régime, des processus de relaxation rapide sous-jacents, et de la disparition de l’une des phases dans les régimes en charge ou sec. Une méthode à pas fractionnaires implicite-explicite est alors développée en s’appuyant sur la relaxation rapide en pression et sur le mimétisme avec les équations de Saint-Venant pour la dynamique lente de la phase eau. En particulier, une approche par relaxation permet d’obtenir une stabilisation du schéma en fonction du régime d’écoulement. Plusieurs cas tests sont traités et démontrent la capacité du modèle proposé à gérer des écoulements mixtes incluant la présence de poches d’air piégées. / The present work is dedicated to the mathematical and numerical modelling of transient air-water flows in pipes which occur in piping systems of several industrial areas such as nuclear or hydroelectric power plants or sewage pipelines. It deals more specifically with the so-called mixed flows which involve stratified regimes driven by slow gravity waves, pressurized or dry regimes (pipe full of water or air) driven by fast acoustic waves and entrapped air pockets. An accurate modelling of these flows is necessary to guarantee the operability of the related hydraulic system. While most of available models in the literature focus on the water phase neglecting the air phase, a compressible two-layer model which accounts for air-water interactions is proposed herein. The derivation process relies on a depth averaging of the isentropic Euler set of equations for both phases where the hydrostatic constraint is applied on the water pressure gradient. The resulting system is hyperbolic and satisfies an entropy inequality in addition to other significant mathematical properties, including the uniqueness of jump conditions and the positivity of heights and densities for each layer. Regarding the discrete level, the simulation of mixed flows with the compressible two-layer model raises key challenges due to the discrepancy of wave speeds characterizing each regime combined with the fast underlying relaxation processes and with phase vanishing when the flow becomes pressurized or dry. Thus, an implicit-explicit fractional step method is derived. It relies on the fast pressure relaxation in addition to a mimetic approach with the shallow water equations for the slow dynamics of the water phase. In particular, a relaxation method provides stabilization terms activated according to the flow regime. Several test cases are performed and attest the ability of the compressible two-layer model to deal with mixed flows in pipes involving air pocket entrapment.