La superficie de esta instalación es de 1200 m2 y cuenta con circuito de recirculación de agua, abastecido desde un depósito principal de 270 m3 que se encuentra bajo la superficie del laboratorio.
Este laboratorio ha modernizado sus instalaciones en 2010 sustituyendo los equipos de bombeo principales por bombas sumergidas, mucho más silenciosas, y con un importante incremento de la capacidad de circulación pasando da unos 250 l/s. Ello ha permitido ofertar y poder concursar en proyectos de investigación más ambiciosos de los que se venían realizando hasta esas fechas. La recirculación se consigue mediante 3 bombas de bombas sumergibles de la marca Caprari, modelos KCM150NA y KCM250ZA y otra de la marca ESPA, modelo DCM200-6090C. Sus óptimos de funcionamiento son dispares, siendo la primera una bomba destinada a ensayos en presión con menor caudal, mientras que las dos últimas permiten ensayos con grandes caudales y menor altura manométrica. Estas bombas, que pueden disponerse de forma independiente o en paralelo, alimentan los dos depósitos de nivel constante del laboratorio (ver plano 1 adjunto con la instalación hidráulica del laboratorio), que, al contar con una elevada longitud interna de vertederos de alivio, permiten asegurar una altura de carga constante en los ensayos para caudales de hasta un máximo de 90 l/s. Además, alimenta a un circuito en presión con una tubería de 500 mm de diámetro y 7 bocas que permite alimentar gran variedad de modelos con caudales cercanos a 260 l/s.
Dentro del equipamiento del laboratorio existe una batería de tres canales basculantes de 7 m de longitud y 0,30 m de ancho, utilizados para fines de docencia e investigación. Todos ellos parten del depósito 1 El equipamiento didáctico destinado a las prácticas está compuesto por varios bancos hidráulicos, turbomáquinas (Francis, Pelton y Kaplan), un equipo de visualización de golpe de ariete, dos instalaciones para ensayo de oscilación en masa, bancos de pérdida de carga y aparatos para visualización de líneas de corriente. Se cuenta además con una canal de grandes dimensiones (13.45 m de largo x 2.50 m de ancho x 1.30 m de lámina de agua) donde en la actualidad se están realizando ensayos de investigación de estabilidad de presas de materiales sueltos.
Parte de la superficie del laboratorio se destina al ensayo de modelos físicos generalmente referidos al estudio de aliviaderos, encauzamientos de ríos y ensayos en presión. Esta superficie es altamente adaptable a las características propias de cada uno de los modelos a escala. La figura siguiente muestra la distribución del laboratorio por áreas.
El Laboratorio de Hidráulica permite ensayos menores en sus instalaciones como:
- Probar sondas de nivel, caudal, presión etc.
o modelos a escala mucho más complejos. En general los más demandados suelen ser:
- Modelización del embalse en el entorno de aliviadero para estudiar la capacidad de desagüe en avenidas cuando las condiciones de contorno del embalse influyen en el cálculo
- Aliviaderos de presas para estudiar su comportamiento ante avenidas con diferente período de retorno. En ellos se suele estudiar:
El comportamiento del aliviadero en la toma para comprobar su capacidad.
El comportamiento del recorrido del aliviadero por si la existencia de curvas pudiera dar lugar a desbordamientos en este tramo por peraltado de la lámina de agua o la convergencia de líneas de corriente de la toma que generan chorros inadecuados en el mismo.
El comportamiento del cuenco amortiguador para comprobar donde se forma el resalto o si hay socavación en el lecho del rio próximo al cuenco que pueda comprometer la seguridad estructural de la presa.
- Modelización del rio en el entorno del cuenco amortiguador para el estudio de las zonas de erosión o poder establecer las condiciones de contorno de la lámina de agua en el cuenco lo que influye en la formación del resalto.
- Ensayos de presas de materiales sueltos donde se quiere evaluar la permeabilidad a través del núcleo de la misma.
- Ensayos de presas de materiales sueltos para estudiar la erosión y posible rotura ante un suceso de sobrevertido ocasionado por una avenida extraordinaria.
- Estudios de la rotura de núcleos de presas de materiales sueltos.
- Estudios del comportamiento de la influencia de la compactación frente a la rotura en presas de materiales sueltos.
- Estudios de distintos tipos de vertederos para ampliar la capacidad de desagüe de las presas existentes, sin necesidad de elevar el nivel del embalse, como vertedero en pico de pato, aumento de la longitud de vertido, vertedero en tecla de piano, etc.
Además de estos se pueden realizar otros ensayos como son:
- Comprobación del comportamiento de tuberías en presión. Por ejemplo comprobar la correcta activación de los rociadores de incendio
- Estudios de permeabilidad en un permeámetro con distintos diámetros hasta un máximo de 1 m.
Y en general, cualquier ensayo hidráulico que se pueda adaptar a la descripción de las instalaciones disponibles.
Para los proyectos externos financiados por entidades empresariales que requieran realizar ensayos en el Laboratorio de Hidráulica de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos, debe tenerse en cuenta la complejidad de los mismos ya que son proyectos a medida de cada cliente. Por tanto, las tarifas se establecerán a través de la redacción de una oferta por los trabajos solicitados por el cliente al que se le asesorará sobre la mejor forma de realizar los ensayos para el objetivo último que se quiera alcanzar, incluyendo las posibles variantes sobre el diseño inicial y las repercusiones económicas de utilizar una u otra forma de construir el modelo.
A modo de referencia, el coste dependerá de:
- La superficie ocupada del laboratorio
- La complejidad del modelo a construir y la documentación aportada por el cliente para estos trabajos. Por ejemplo, la existencia de modelos 3D que puedan ser utilizados para la construcción de piezas del modelo en talleres externos en caso de ser necesario.
- Las horas estimadas de ingeniería y de operario de laboratorio para la construcción del modelo.
- El número de ensayos a realizar sobre el modelo y la duración de los mismos.
- El equipamiento requerido para la medida de las magnitudes físicas.
- El postprocesado para obtener los resultados demandados por el cliente. Por ejemplo, las labores de restitución de los datos obtenidos por fotogrametría.
- El alcance y la complejidad que se estime puede tener el informe final.
- Las posibles variantes al diseño inicial que se quieran incluir en la oferta. Estas pueden ser ofertadas como posibles adendas al convenio inicial.
- El tiempo estimado de ocupación de las instalaciones. Este parámetro estará influenciado por la demanda asociada a la época en que se quiera realizar el ensayo.
Los trabajos se llevarán a cabo mediante la redacción de un convenio a través de la Oficina de Transferencia de la Tecnología de la UPM o alguna de las Fundaciones con vinculación a la UPM como la Fundación Agustín de Betancourt asociada a la ETSI de Caminos, Canales y Puertos.
El convenio puede incluir cláusulas de protección de la propiedad intelectual.
Contacto
Jaime García Palacios
Responsable Científico-Técnico
Teléfono: +34 910674368
Correo electrónico: jaime.garcia.palacios@upm.es
Localización
Laboratorio de Hidráulica (Sótano 2)
ETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad Politécnica de Madrid
c/ Prof. Aranguren 3, 28040 Madrid. España
Equipo
Responsable Científico-Técnico
Jaime García Palacios
Técnico de laboratorio
Javier Vieira Sáenz.
Investigadores con trabajos realizados en el laboratorio
El siguiente personal ha dirigido o colaborado en proyectos de investigación realizados en el laboratorio y se encuentran actualmente activos como investigadores para asesorar en la ejecución de modelos y posibles soluciones de diseño:
- Luis Garrote de Marcos.
- Miguel Ángel Toledo Municio.
- Luis Mediero Orduña.
- Alvaro Sordo Ward.
- Luis Cueto Felgueroso.
- David Santillán Sánchez.
- Rafael Morán Moya.
- Francisco Javier Caballero Jimenez.
- Javier Fernández Fidalgo.
Instalaciones de Ensayos
El sistema de bombeo está formado por las bombas y la conducción que alimenta a las distintas áreas del laboratorio. A continuación, se describe cada una de ellas.
Bombas
Las características de las bombas sumergibles, instaladas todas ellas en paralelo, son:
- Caprari modelo KCM150NA 75 l/s a 21,5 m
- Caprari modelo KCM250ZA 120 l/s a 10,8 m
- Espa modelo DCM200-6090C 110 l/s a 5,2 m
Cada una de ellas cuenta con un variador de frecuencia, lo que amplía las posibilidades de regulación del conjunto. Todo ello se ha integrado en un sistema automatizado de control.
Una única conducción recoge las tres bombas y conecta a los dos depósitos, cada uno de ellos situado a distinto lado de las bombas, más las 7 tomas previstas para la realización de ensayos en modelo reducido.
El depósito 2 puede alimentarse a su máxima capacidad (90 l/s) con la utilización únicamente de la bomba DCM200-6090C. Por tanto, en la tubería principal y a ambos lados de la toma de esta bomba se han dispuesto sendas válvulas de corte que permiten independizar los ensayos realizados a través del depósito 2 del resto de la tubería, o bien añadir el caudal de esta bomba a la alimentación al depósito 1 y las 7 tomas de la tubería principal.
Para la realización de los ensayos utilizando los depósitos se cuenta con un medidor de nivel en cada uno de ellos conectado al sistema de control que regula la frecuencia del variador para asegurar un nivel igual al labio de los vertederos dispuestos en el interior de los propios depósitos destinados a disminuir las variaciones debidas al propio sistema de control de la regulación.
Para la mayoría de los ensayos realizados en el laboratorio la bomba DCM200-6090C es la más adecuada, pudiendo sumarse con facilidad los caudales aportados por la bomba KCM250ZA cuando se requiere un incremento importante del flujo en circulación. La bomba modelo KCM150NA puede aportar algo más de caudal pero funcionando alejada de su punto de funcionamiento óptimo. Su instalación se realizó con la finalidad de cubrir ensayos en presión con un caudal menor, no para ser compatible con los ensayos a los que están destinados las otras dos bombas.
Conducción de alimentación de los modelos
La conducción se compone de diferentes tipos de pieza que se describen a continuación:
- Tramos rectos de acero soldado en espiral de 500 mm de diámetro interior y de 4 mm de espesor.
- Codos a 90 grados de acero de 500 mm de diámetro interior cuyo radio a eje es de 0,762 m (1,5 veces el diámetro exterior) y de 8 mm de espesor.
- Codos a 45 grados de características similares a los de 90 grados.
- Tés de acero con 500 mm de diámetro interior en todas sus salidas y 4 8 mm de espesor.
Existen además tramos de pequeña longitud con diámetros inferiores a la salida de las bombas. Las uniones entre las piezas son en su mayoría por soldadura, aunque en algunos puntos del trazado se han colocado pares bridas soldadas a sus respectivos extremos y atornilladas entre sí. Se ha escogido un trazado que maximice el espacio disponible y que permita suministrar agua a las diferentes zonas destinadas a la realización de ensayos, como muestra la figura 3.
Para la alimentación de los modelos con menor caudal a través de la tubería de 500 mm se ha realizado un bypass que permite dirigir los caudales directamente por la tubería de 500 mm provista de un caudalímetro fijo o por una tubería de 300 mm con otro caudalímetro fijo. De esta forma pueden mantenerse reducido el error relativo de la medida cuando el flujo en circulación es pequeño. Ambos caudalímetros están conectados al sistema de control que regula automáticamente la apertura de una u otra rama del bypass en función de los caudales demandados en las bocas en funcionamiento.
La figura siguiente muestra la distribución de caudales de alimentación a la zona de ensayos
Para estudiar las posibilidades de alimentación de la tubería de 500 mm se ha realizado un modelo en EPANet 2.0 distribuido por la Environmental Protection Agency estadounidense. Un esquema de este modelo se muestra en la siguiente figura para una de las bocas de alimentación abiertas.
El principal sistema de control de caudales y presiones con el que se abastecen la mayor parte de las intalaciones del laboratorio de hidráulica esta automatizado a través de un sistema de control de Siemens.
El sistema esta dispuesto en un armario, controlado por un ordenador industrial, y dispone de un variador de frecuencia para cada una de las bombas.
El sistema permite el arranqeu y parada del sistema además de la regulación de caudales a través del control de estos variadores en función de la lectura obtenida de los caudalímetros dispuestos en el circuito.
En alguna de las bocas de salida este control se puede ejercer en función de la presión leida en el piezómetro conectado a la misma.
Los depósitos en lámina libre cuentan con una regulación de nivel mediante una sonda de ultrasonidos que tambien actúa sobre los variadores regulando los cauldales demandados. Los depósitos disponen de un control adicional mediante flotador que desconecta el sistema antes el riesgo de desbordamiento de los mismos.
Esta instalación permite caudales cercando a los 260 l/s cuando se combina la alimentación de la bomba a través de la conducción junto con el depósito 2 a máxima capacidad.
Sus dimensiones con 13.45 m de largo x 2.50 m de ancho x 1.30 m de lámina de agua.
Dispone de una ventana lateral en la zona de instalación de modelos a escala reducida y piezómetros bajo la solera con 27 puntos de medida estática de niveles de agua posicionados en una malla de 9 x 3.
En la parte superior del canal se dispone de un Perfilómetro láser SICK LMS200. Es decir, un sistema de medición láser con capacidad de barrido de 180º. El escáner se ha acoplado a un brazo mecánico que controla su desplazamiento transversal en el canal a través de un motor de gran precisión. Se ha realizado un software específico en Labview para el control y toma de resultados. Ello permite obtener un mapa 3D de la superficie libre antes y despues de los ensayos. El sistema no puede medir en la zona sumergida de los modelos por lo que se hace necesario vaciar de agua antes de realizar las medidas.
En este canal se pueden acoplar una matriz de cámaras, disponible en el laboratorio, para la realización de fotogrametría de los modelos con las que ya se tiene experiencia adquirida.
El laboratorio de hidráulica tiene dos áreas destinadas a la construcción de modelos reducidos con alimentación desde el sistema de bombeo.
Estas áreas son altamente adaptables a la necesidades del cliente, y en función del espacio requerido, se establecen las escalas recomendadeas del modelo, siendo las escalas más habituales entre 1:35 a 1:50 de la escala real.
La dos áreas pueden verse marcadas en el siguente gráfico por los óvalos en rojo.
En función de las necesidades pueden situarse uno o más modelos en cada una de ellas.
El laboratorio cunta con personal especializado en la propuesta de solucines apara al construcción de los modelos, interpretación de los resultados y propuestas de mejora del comportamiento hidráulico en función de los resultados observados
Esta instalación consiste en un permeámetro de gran volumen, con eje horizontal y tomamuestras intercambiables, para la caracterización de la permeabilidad de materiales de gran tamaño.
Descripcion
La instalación permite realizar ensayos para medir la permeabilidad de medios porosos de gran tamaño en los que la ley de filtración se corresponde con un régimen no laminar. En la actualidad se pueden ensayar materiales granulares de tamaños máximos hasta 100 mm.
Los tomamuestras tienen 2,50 m de longitud y diámetros de 300, 500 y 1200 mm, aptos para el ensayo de materiales con tamaños máximos de partículas de 60, 100 y 240 mm respectivamente. La presión máxima aguas arriba del tomamuestras es de 35 mca y el control de caudal se realiza mediante una válvula mariposa de 500 mm situada en la salida, con un caudal máximo superior a 0,15 m3s-1
La sección actualmente instalada costs de 6 piezómetros que permiten obtener la pérdida de carga a traves del material granular dispuesto en su interior.
Agradecimientos
Esta instalación ha sido donada a la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPM por AUDASA.
Sensórica y equipos de toma de datos
El laboratorio cuenta con varios equipo de adquisición de National Instruments del tipo cDAQ que se utilizan para el contrlol de los ensayos, la adquisicón de dtos del Laser y la toma de datos en las practicas de laboratorio de alumnos de la Escuela de Caminos.
Estos equipos pueden utilizarse con LabView o con Matlab en función de las necesidades de cada proyecto y los investigadores de laboratorio pueden adaptar la programación a los ensayos. Las licencias de estos dos paquetes de programación pertenecen a la Universidad Politécnica de Madrid
En la actualidad se cuenta con tarjetas de adquisición con entrada de lectura en corriente (4..20 mA), y en voltaje (+- 10V) con ditintas velocidades de muestreo de hasta 51200 Hz por canal que permiten registar fenómenos de golpe de ariete. Tambin se cunta con tarjetas de lectura con alimentación IEPE para el uso de sensores de acelerometría.
La mayor parte de los sensores disponibles en la laboratorio pueden leerse mediante este equipamiento.
El laboratorio cuenta con un equipo de lectura de la marca Dewetron para la toma de datos en las practicas de laboratorio de alumnos de la Escuela de Caminos.
Este equipamiento puede utilizarse en todo tipo de ensayos y tiene un software (OXIGEN) amigable a la hora de preparar la toma de datos que no requiere de experiencia en monitorazión para ser capaz de visualizar y registrar los datos de una medida.
Es un equipo portátil que puede llevarse a instalaciones de campo aunque requiere de alimentación externa para su funcionamiento.
En la actualidad esta adaptado a entradas de lectura en corriente (4..20 mA), pero puede adaptarse fácilmente a otras entradas mediante los acondicionadores de señal que facilita el fabricante.
El laboratorio cuenta con sistema de medición láser con capacidad de barrido de 180º, situado en la parte alta del canal grande de ensayos montado sobre una estructura de aluminico sobre la qeu se puede desplazar horizontalmente.
El desplazamiento horizontal se realiza a través de un motor de gran precisión. Con ello se consigue un barrido tridimensional del area de ensayo.
Para el registro de datos y el control de los desplazamientos se ha realizado un software a medida mediante LabView que devuelve una matriz de puntos tridimensionales facilmente manejable con otros programas de tratamiento de datos.
La resolución del equipo esta en 0,2 mm pero puede mejorarse con barridos multiples en cada sección a costa de un mayor tiempo de adquisición.
La limitación para la utilización de este equipo es que la sección a medir no se encuentre sumergida ya que el laser no lee en el interior del agua.
Con objeto de poder realizar restituciones de diferentes secciones sin tener que demorarse entre ensayos, el laboratorio cuenta con 6 cámaras Canon de iguales características que pueden dispararse sincronizadamente.
Con ello se consiguen tomas que pueden restituirse topograficamente con gran precisión utilizando diversos programas para tal fin.
Son muy adecuadas para seguir la evolución de roturas en presas de materiales sueltos y su ubicación más habitual en el laboratorio es en los ensayos realizados en el canal grande.
Estas cámaras se han complementado con sistemas adiconales de iluminación que mejoran la calidad de las tomas.
Además de los caudalimetros utilizados para el control de ciruclación del agua en el laboratorio y las instalaciones de docencia que son instalaciones fijas que no pueden trasladarse a otros modelos, aunque los casos en que forman parte del circuito de alimentación de los ensayos se pueden utilizar en sus resultados, se cuenta con un caudalímetro de ultrasonido para conductos a presión tipo Fluxus ADM 7200.
Este aparato mide el caudal en una tubería a presión. Sus transductores se fijan en la pared exterior de la tubería y pueden medir velocidades de circulación de flujo en el rango de 0,01 a 25 m/s.
Es facilmente instable en instalaciones tanto de interior como exterior aunque require conocer el espesor y material de la tubería donde se instala.
El laboratorio cuenta con diferentes sensores de presión modelos:
- DS2.K,
- Müller M69
- ASM XA_300
con diferentes rangos de lectura y salida en corriente y voltaje para su lectura por los equipos de adquisición. Estos se utilizan habitualmente en los ensayos adaptados a conductos en presión o bajo la solera de los modelos.
El laboratorio cuenta con diferentes sensores de nivel para la medida de la superficie libre mediante utrasonidos.
Hay sensores para la medida de niveles en depósitos y en canales con flujo en movimiento con diferentes rangos de medida para adaptarse a la variación de niveles que pueden darse entre los diferentes ensayos.
Además de los equipos detallados en la sección de equipamiento, el laboratorio cuenta con material adiconal que puede utilizarse para la obtención de resultados en ensayos o la verificación de las medidas registradas como son:
- Limnímetros para la medida de niveles de la superficie de agua con una precisión de 0,2 mm
- Aliviaderos rectangulares y triangulares de distintos tamaños para instalar en canales donde se quiera aforar caudales. Pueden utilizarse conjuntamente con sensores de nivel de ultrasonidos para digitalizar la medida.
- Tubos de Venturi para adaptar a tuberías en presión.
- Manómetros para la medida visual de presiones en tuberías.
- Herramientas de taller para la creación de modelos como hormigonera, máquinas de corte, soldadura, etc.
