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5.3. Ejemplos de Aplicacin con WaterCad
5.3.1. Construccin de una Red de Riego Incluyendo Reservorio, Bomba y Vlvulas
5.3.1.1 Objetivo General
Usando el sistema hidrulico de distribucin de agua de riego del proyecto La Zaranda como se
muestra en la figura de abajo, construiremos un modelo conteniendo un reservorio, una
bomba y una vlvula reductora de presin (VRP).
Vamos a llevar a cabo dos simulacionesque nos permitirn analizar el comportamiento del
sistema hidrulico de distribucin de agua de riego del proyecto La Zaranda, el primer
escenario contar con la demanda de Todos los Turnos, y el segundo tendr una demanda que
solo corresponder al Turno I.
Las tuberas del sistema son de PVC y son prcticamente nuevas ya que estamos efectuando el
diseo por lo cual le asignaremos un coeficiente de rugosidad C (Hanzen-Williams) de 140.
Red Hidrulica Proyecto La Zaranda
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5.3.1.2 Objetivos Especficos del Taller
Despus de completar este taller, usted deber ser capaz de realizar en WaterCAD
Familiarizarse con la interfaz de WaterCAD
Trazar una red de riegos e ingresar los datos de los elementos Configurar prototipos de los elementos
Ingresar definicin de bomba y datos complementarios
Modelar vlvula reductora de presin (VRP)
5.3.1.3 Creacin de un nuevo proyecto de WaterCAD
1. En su escritorio, haga Doble click en el
icono de WaterCAD V8 XM o dirjase al
botn de icono /Programas/
Bentley/para encontrar el acceso directo.
A continuacin recibir la siguiente
ventana de bienvenida.
2. Click en Create a New Project. Si la
ventana de bienvenida no estuviera
abierta seleccione el men File/New.
3. Una vez el nuevo proyecto haya sido
creado, dirjase al men File/Save As.
Nombre el proyecto como Taller1
_Lazaranda_[iniciales]. WTGy haga Click
en el botn Save.
5.3.1.4 Configuracin de las propiedades del proyecto (Opcional).
Un primer paso recomendable ser ingresar las propiedades del proyecto. Aunque esto no es
obligatorio, siempre es recomendable agregar informacin relativa y notas adicionales al
modelo y/o proyecto.
1. Haga click en el Nenu File/Proyect Properties.
2. En el cuadro de dialogo ingrese una
informacin ms descriptiva del ttulo que
tendr este proyecto, del nombre del
ingeniero proyectista, su empresa.
Finalmente, tiene un campo de Notas donde
puede agregar observaciones que faciliten la
revisin del modelo por parte de una tercera
persona. Haga click en una vez
completada la informacin.
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5.3.1.5 Definicin de Opciones del Proyecto.
A continuacin, ser necesario definir algunas opciones generales y de dibujo del
proyecto antes de comenzar el dibujo del sistema de riego.
1.
Haga click en el Menu Tools/ Options.2. En la pestaa Unitsvaya al men desplegable Reset Defaultsy seleccione sistema
internacional (System International), para asegurarse que este ser el sistema de
unidades que por defecto adoptara cada parmetro.
3. En este taller trabajaremos a escala (es decir, la longitud en el dibujo es la real).
Seleccione la pestaa Drawingy defina el modo de dibujo (Drawing Mode) como
escala (Scaled) y seleccione los multiplicadores de tamao de smbolos y
anotaciones como 5.0 tal y como se ilustra a continuacin:
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4. Finalmente, haga click en Ok para aceptar los cambios realizados.
Nota:Al escoger la opcin de dibujo a escala, esto implicara que las longitudes de la
tubera sern calculadas automticamente por el programa.
Siempre deber tener en cuenta que al crear nuevos modelos es necesario en primera
instancia definir la configuracin bsica del proyecto.
WaterCAD V8 XM, tiene la capacidad de trabajar con varios fluidos a diferentes
temperaturas al igual que con diferentes mtodos de friccin.
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Para definir las operaciones de clculo, abra
el cuadro de dialogo Calculation Optionsque
se encuentra en el men Analysiso presione
[Alt+3].
Sobre la categora Steady State/EPS Solver
(opciones de clculo para rgimen
permanente) haga doble click sobre baseCalculations Options para desplegar la
ventana de propiedades.
En este caso aceptaremos las
configuraciones por defecto. Esto es la
Ecuacin de Hazen Williamscomo mtodo
de friccin, y como lquido agua a 20 grados
C.
Los valores intrnsecos del fluido proceden
de las libreras de ingeniera previamentecreadas en el programa, pero esta librera
puede ser personalizada por el usuario.
Como se ve a continuacin, el programa ofrece la posibilidad de determinar prototipos
para cada uno de los elementos de WaterCAD.
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Para visualizar este cuadro de dialogo, vaya al
men Viewy seleccione Prototypes
En esta ventana usted puede determinar
prototipos para cada uno de los elementos deWaterCAD/GEMS especificando caractersticas
que sern ingresadas por defecto cada vez que
sea crear tantos prototipos como sea necesario.
Expanda la categora Pipe, haga click en el botn
New para crear el nuevo prototipo (escoja el
nombre de sus preferencia) y a continuacin
configuraremos este prototipo en la ventana de
propiedades.Como primera medida en la tabla de propiedades del prototipo, elegiremos tubera de
PVC como el Material. Para hacer esto seleccionaremos material en los parmetros
fsicos (Physical) y haremos click en el botn , y se desplegara esta nueva ventana
con la librera de materiales que al expandir la lista nos mostrara el material PVC.
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Para seleccionar el material
simplemente haga click en el
botn .
Note que la rugosidad original
para las tuberas de PVC es de
150 segn la librera de
ingeniera de WaterCAD V8 XM.
Sin embargo dado que la tubera
es casi nueva vamos a cambiar la
rugosidad por 140. Esto se
realiza en el campo Hazen-
Williams C.
Para definir el dimetro del
Prototipo de tuberas
definiremos 110 mm, as mismo
definimos como Falsa a la
pregunta de si la longitud estar
definida por el usuario (Has User
Defined Lengt?), con ello
establecemos que las longitudes
se definirn en la misma rea dedibujo segn el mapa de fondo
[Backgroud Layers].
En el men desplegable principal File selecciones Save y Digite Ejemplo1_Lazarandaen el
campo File Namepara nombrar el archivo. Luego haga click en Savepara guardar el archivo.
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5.3.2.2. Construccin del modelo
Dibuje el siguiente sistema de riego con las herramientas de dibujo.
Pistas:
- Empiece dibujando los nodos J-1, J-2 hasta J-7, luego nuevamente empiece
nuevamente a dibujar los nodos J-8, J-9 hasta J-11, as sucesivamente dibuje todos los
nodos, hasta el J-44, tenga mucho cuidado en la numeracin y ubicacin de los nodos
segn las parcelas o sub unidades de riego.
-
Luego dibuje las tuberas P-1, P-2, P-3, iniciando del nodo J-16, luego al J-15 al J-11 y
finalmente al J-7. Respectivamente.
- Finalmente dibuje el Pozo como R-1, la Bomba como PMP-1, la vlvula como PRV -1 y
las tuberas P-44, P-45 y P-46.
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Para ingresar los valores de elevaciones y demanda en nodos podramos hacer uso de distintas
herramientas o introducir cada dato a travs de la ventana de propiedades, en este caso
haremos uso del centro de control de demandas (para el ingreso de demanda) y de los
reportes tabulares (para el ingreso de elevaciones). Los datos a usar aparecen en la siguiente
tabla:
Datos para los nodos
Nodo
Elevacin (m)
(Elevation)
Demanda (l/s)
(Base Flow)
J-1 10.00 5.24
J-2 10.00 3.97
J-3 10.50 5.24
J-4 10.50 3.94
J-5 10.50 5.24
J-6 10.50 3.94
J-7 10.75 3.94
J-8 10.00 7.44J-9 10.25 8.12
J-10 10.50 8.12
J-11 11.00 8.12
J-12 10.50 7.54
J-13 10.50 7.54
J-14 10.75 7.54
J-15 11.75 7.54
J-16 11.50 7.76
J-17 11.75 4.14
J-18 11.75 4.17
J-19 11.50 4.31
J-20 11.50 4.38
J-21 11.50 3.37
J-22 11.50 1.84
Nodo
Elevacin (m)
(Elevation)
Demanda (l/s)
(Base Flow)
J-23 15.50 8.27
J-24 13.50 8.77
J-25 13.00 8.68
J-26 12.50 4.26
J-27 14.00 5.79
J-28 14.50 5.53
J-29 12.50 5.2
J-30 12.50 3.71J-31 10.25 4.21
J-32 11.50 6.4
J-33 12.50 8.55
J-34 13.00 10.07
J-35 11.25 7.68
J-36 11.50 7.71
J-37 11.75 1.71
J-38 10.50 6.41
J-39 10.50 3.54
J-40 10.50 3.45
J-41 10.50 3.39
J-42 10.50 2.22
J-43 10.50 4.16
J-44 10.50 3.15
Ejecute el Centro de Control de Demandas (Demand Control Center), que se encuentra como
botn en la barra de herramientas o como opcin en el Tools. Luego, bajo el men
desplegable del botn New, seleccione InitializeDemands for All Elements.
Para ingresar los valores de demanda nos aseguramos que las unidades estn en litros por
segundo.
Para tal fin, haga click con el botn derecho en la columna de demanda (Base Flow) y
seleccione Units and Formatting
Seleccione del men (l/s) como la unidad de demanda con 2 decimales de presin. Haga click
en Ok.
Finalmente introduzca los valores de demanda dados tal como se indica en la figura.
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Haga click en el icono de reportes tabulares del men desplegable y seleccione el
reporte de nodos (Junction Table). En dicho reporte, ingrese las elevaciones para cada nodo.
Asegrese que los nombres de los nodos (J-1, J-2,etc.) coincidan con los indicados en las
tablas, as tambin como el orden de los mismos. Paro ordenar la lista de nodos simplemente
haga click derecho en la columna Label, y escoja la opcin ordenar (Sort)
Luego de introducir las elevaciones, la tabla de uniones debiera visualizarse de la siguiente
manera:
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Cierre esta tabla. Vuelva a seleccionar el botn de los reportes tabulares, pero esta vez
seleccione Pipe Tabley presione OK. En estas tablas ingresara los valores de dimetro para las
tuberas.
Datos para las Tuberas
Tubo
Dimetro
Diameter
(mm) Tubo
Dimetro
Diameter
(mm) Tubo
Dimetro
Diameter
(mm) Tubo
Dimetro
Diameter
(mm)
P-1 160 P-13 140 P-25 110 P-37 110P-2 160 P-14 110 P-26 90 P-38 90
P-3 160 P-15 90 P-27 110 P-39 90
P-4 140 P-16 140 P-28 90 P-40 90
P-5 140 P-17 140 P-29 90 P-41 140
P-6 140 P-18 140 P-30 140 P-42 110
P-7 110 P-19 140 P-31 110 P-43 90
P-8 90 P-20 140 P-32 140 P-44 160
P-9 90 P-21 140 P-33 90 P-45 160
P-10 140 P-22 160 P-34 75 P-46 160
P-11 110 P-23 160 P-35 75
P-12 90 P-24 140 P-36 140
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Si las tuberas aparecen en un orden diferente al mostrado en la tabla anterior, debe
organizarlas para no cometer errores. Para esto, haga click derecho en la columna Label.Luego
seleccione Sort y Ascending.
Esta es la tabla que Ud. Debera ver si ha ingresado los datos de las tuberas correctamente:
Para ingresar los datos de la vlvula reductora de presin, utilice tambin los reportes
tabulares, en este caso seleccionando PRV Report.
Datos para la vlvula reductora de presin
Vlvula Elevacin
(Elevation) (m)
Dimetro
(Diameter)
(mm)
Hydraulic Grade
Setting (Initial)
(m)
Direccin de
Flujo
(Downstream
Pipe)
Pressure
Setting
(Initial) (m
H2O)
PRV-1 11.5 160 42.05 P-45 --> P-46 30.5
A continuacin la tabla personalizada de vlvula con los datos completos.
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Es posible, que debe hacer click en el botn Edit , el cual le permite personalizar su tabla
y agregar columnas adicionales. En este caso debemos ingresar el gradiente hidrulico de
configuracin de la vlvula (Hydraulic Grande Setting). Pregunte al instructor si tiene dudas
sobre como editar los reportes tabulares.
Para corregir el sentido de flujo de la
vlvula, ingrese a la ventana de
propiedades, haciendo click en la
misma sobre el dibujo. Y revise donde
se define la tubera aguas abajo
(Downstream). Este parmetro lo
podr encontrar en la categora
La vlvula tienen sentido desde el nodo
Upstreamhacia el nodo downstream.
Si la direccin no es la adecuada segn
la tabla anterior, cmbiela con la opcin
Reverse que aparecen en el men
desplegable.
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A continuacin deberemos ingresar los datos de la bomba y el reservorio. En el caso de la
bomba, la curva caracterstica dada por el fabricante es la siguiente:
Datos para la bomba
Elevacin (m) -25.00
Curva caudal presinDescarga
(l/s)
Carga (m)
0.00 96.00
32.00 76.00
47.00 50.00
Para curva de eficienciaDescarga
(l/s)
Eficiencia
(%)
8.00 30.0
32.00 75.0
47.00 78.0
Para ingresar los datos de la bomba se requiere primero definir las caractersticas de la misma
en el administrador general. Desde el men principal desplegable Components, seleccione
Pump Definitions.
Haga click en el botn New y nombre a la nueva definicin de bomba como Definicion Bomba
1
En la ventana derecha, seleccione el tipo de definicin (Pump Definition Type) en el men
desplegable como una definicin de curva de tres puntos Standard (3 Point)e ingrese los
datos indicados en la tabla.
El siguiente es el esquema y grafico que debe observarse en el cuadro de dialogo Pump
Definitionsluego de haber ingresado la informacin de caudal presin y eficiencia:
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Seguidamente, dirjase a la pestaa Efficiency y defina en este caso una eficiencia de
mltiples puntos (Multiple Efficiency Points) ingresado la informacin como se muestra a
continuacin:
Haga click en Close.
Habiendo creado la Definicin Bomba
1, debemos ir al cuadro de propiedades
del elemento PMP-1y en el parmetro
Pump Definition seleccionamos la
configuracin Definicin Bomba 1.
IMPORTANTE: No olvide asignar la
elevacin de la bomba, que segn los
datos del modelo es de -25 m.
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Para realizar la simulacin hidrulica,
solo nos resta ingresar la definicin del
Pozo y/o Reservorio, con base en la
siguiente informacin:
Datos para el Reservorio
Nodo Elevacin (m)
R-1 -25.00
Para ingresar los datos del reservorio
haga Click en el smbolo del mismo e
incluya en la ventana de propiedades
del valor de -25.0 m como la elevacin
que tiene la lmina o espejo de agua en
dicho reservorio.
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5.3.2.3. Simulacin 1 Demanda de todos los turnos a la vez
Ahora estamos listos para ejecutar las
simulaciones. Dirjase al centro de control de
escenarios Men Analysis/ Scenarios.
Como primera medida vamos a renombrar elescenario existe (Base) con el nombre de Todos
los Turnos.
Este escenario tendr la alternativa de demanda
Todos los Turnos, para esto cargamos la ventana
de alternativas con Men Analysis/ Alternatives, y
creamos una primera alternativa denominada
Todos los Turnos modificando o renombrando la
alternativa ya existente.
Para el escenario Todos los Turnos creado,
verificamos en las opciones de clculo
(Calculations Options) para rgimen permanente,
que se trata de un clculo hidrulico bsico
(Hydraulics Only) y que el tipo de anlisis (Time
Analysis Type) es en Estado Esttico.
Haga Click en los botones Validate y Compute
respectivamente, revise y compare los
resultados para esta simulacin. En la ventana
Calculation Summary podr observar si se
present algn error en el clculo.
Nota: Al verificar resultados, recuerde que los reportes tabulares son personalizables, y
pueden agregarse los parmetros de entrada y resultados de su preferencia.
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5.3.2.4 Simulacin 2 Demanda en el Turnos - 1
Ahora efectuaremos la simulacin hidrulica solo para el Turno - 1, por lo cual la demanda
solo se considera en los nodos J-1, J-2, J-3, J-4, J-5, J-6 y J-7, con los valores ya ingresados, para
el resto de los nodos es decir desde J-8 hasta J-44 se considerar la demanda como cero.Definiremos una alternativa de demanda diferente para crear un nuevo escenario para esta
simulacin.
Para crear una nueva alternativa, vaya a la ventana de administracin de alternativas haciendo
Click en el botn o seleccionando Alternativesen el men principal Analysis.
Seleccione y expanda la Alternativa
de Demanda (Demand Allternative)
en el rbol de alternativas tal y como
lo indica esta pantalla.
Al expandir las alternativas de
demanda observar la existente
Todos los Turnos, Seleccionando
esta alternativa hacemos click en el
botn derecho del mouse y
seleccione New y luego Add Child
una vez creada la nueva alternativa la
renombraremos haciendo click
derecho como Turno - I
La nueva alternativa aparece en la
jerarqua como hijo de la anterior y
ha heredado todos los valores de
demanda de sus padre.
Esto puede identificarse porque la
nueva alternativa se encuentra
desplazada hacia la derecha.
Ahora simplemente haga doble click
en la Alternativa Demanda de
Turno-I, y edite la demanda de los
nodos J-8 hasta J-44 como cero y deje
las demandas de los nodos J-1 hasta J-
7 con los valores originales.
La tabla de demanda en las
uniones(nodos), debiera aparecer de
la siguiente forma:
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Haga click en el botn Closepara cerrar esta ventana.
Ahora cree un nuevo escenario hijo
para incorporar esta alternativa de
demanda. Seleccione Scenarios del
men principal desplegable Analysis,
o simplemente haga click en el botn
de la barra de herramientas.
Seleccionando el escenario Todos los
Turnos, haga click en el botn
derecho de sus Mouse, y seleccione
New/Chid Scenario.
Nombre el nuevo escenario como Turno Ipara describir su simulacin.
De momento, este nuevo escenario ha heredado las alternativas que conformaban al
escenario padre. Para modificar esta configuracin y asignar diferente (s) tipos de alternativas,
simplemente debemos hacer click en el escenario Turno Ie ir a la ventana de Propiedades que
nos indica las alternativas vigentes para este escenario.
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Para modificar los atributos en un
escenario determinado debe
seleccionar la categora
correspondiente a la izquierda del
cuadro de dialogo.
En este caso seleccionamos la
Alternativa de Demanda y
seleccionamos del men
desplegable Turno I.
Todas las dems alternativas sern
las mismas que para la primera
simulacin.
Vuelva al cuadro de dialogo de
escenarios, para ejecutar la
simulacin de este nuevoescenario.
Haga click en el men desplegable del
botn Computey seleccione Batch Run
del conjunto de opciones desplegadas.
Con esta herramienta usted puede correr
todos o algunos de los escenarios
simultneamente. En este caso solo
vamos a correr este nuevo y ultimo
escenario que hemos creado.
Active la caja para el escenario Turno-I y
haga click en Batch.
Se le presentara con un mensage de
confirmacin, haga click en Yes. Luego
obtendr un mensaje de finalizacin.
Haga click en Ok.
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Revise los resultados para esta simulacin. Asegrese que el nuevo escenario Turno I se
encuentra activo. Para esto simplemente debe en la ventana de escenarios seleccionar el
escenario Turno Iy hacer click en el botn (Make Current).
Tabla de Reporte de Nodos
Tabla de Reporte de Tuberas
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5.3.2.5. Resultados
Simulacin 1 2
Escenario Todos los Turnos Turno I
Gradiente Hidrulico J-1 (m)
(Calculated Hydraulic Grade)
Gradiente Hidrulico J-7 (m)
(Calculated Hydraulic Grade)
Gradiente Hidrulico J-16 (m)
(Calculated Hydraulic Grade)
Presin de Descarga PMP -1
Pressure Dischange (m H2O)
5.3.2.6. Discusin
Por qu es importante el uso de la vlvula PRV- 1, que funcin o elemento se simula en este
modelo y en qu condiciones iniciales podra estar?.
Qu cantidad de flujo impulsar la bomba PMP-1 en las simulaciones 1 y 2 respectivamente?.
Qu nodos presentan la mayor y menor presin en las simulaciones 1 y 2 respectivamente?.
Qu tubera presenta las mayores prdidas por friccin m/km Todos los Turnos y el Turno I?.