Diseño de un software educativo para el análisis de sistemas hidráulicos a presión en ingeniería civil

Designing educational software for analysing pressurised hydraulic systems in civil engineering

Las nuevas tecnologías informáticas abren un mundo inagotable de posibilidades en el ámbito de la docencia. En el caso particular de las enseñanzas técnicas, el uso de estas tecnologías se convierte en indispensable por la propia naturaleza de los recursos actuales de diseño y producción industrial. El trabajo que se presenta a continuación consiste en la elaboración de un material didáctico (software educativo) destinado a la enseñanza de la mecánica de los fluidos, particularmente al análisis de sistemas de tuberías, tanques y bombas,3 dirigido en principio a los estudiantes de ingeniería civil de la Universidad Santo Tomás de Bogotá. Este tipo de materiales, han sido desarrollados y utilizados con éxito por varias universidades a nivel mundial,4 a lo largo de los últimos años, dentro de los nuevos planes de estudio. El software didáctico objeto de este trabajo se ha construido utilizando el lenguaje de programación Visual Basic.5 El resultado es una herramienta educativa muy útil que permite una efectiva comunicación profesor-alumno, adecuada tanto para las clases presénciales en el aula de clase como para el trabajo personal del estudiante (Ángel y Bautista, 2001; Aguilar, 2002).

Introducción

Cuando se intenta resolver un problema de redes de tubería no es conveniente utilizar la vía analítica, dado que el sistema resultante es de carácter no lineal debido a la naturaleza potencial de las ecuaciones de pérdida en tuberías, bien sea a través de la fórmula de Hazen-Williams para flujo en tuberías comerciales, o de la ecuación de Darcy-Weisbach utilizada en aplicaciones particulares, donde es posible calcular el factor f por medio de la formulación de Coolebrook u otra empírica dependiendo del régimen al que se encuentre sometido el flujo (laminar o turbulento) (Aho y Hopcroft, 1974; Franzini y Finnemore, 1999; Burden y Faires, 1998; Zienkiewicz y Taylor, 1994).

En problemas reales de flujo es necesario emplear métodos de aproximaciones sucesivas comúnmente llamados iterativos. Quizá el más conocido sea el de Hardy-Cross, el cual utiliza la ecuación de continuidad para determinar los flujos de partida y calcula una corrección en cada circuito (se usa para mejorar el balance en ellos). Este procedimiento se realiza de manera repetitiva hasta que la corrección calculada alcanza valores muy pequeños que no modifican la solución. Tal situación conlleva al cálculo definitivo del flujo en cada uno de los elementos componentes del sistema (Gear, 1971; Mathews, 2000).

En redes pequeñas es posible resolver el problema implementando el método de Hardy-Cross en calculadoras programables; sin embargo, en redes mayores o que contienen varios depósitos de suministro (tanques), bombas y una buena cantidad de elementos, es conveniente contar con un programa de computador que pueda solucionar el problema utilizando el mismo método de Hardy-Cross o cualquier otro numérico iterativo disponible (Giles et al., 1994; Mott, 1996).

El software educativo Poseidón 1.0 es un modelador computacional de sistemas hidráulicos de n tuberías, n tanques y n bombas que tiene implementada la clásica ecuación de pérdidas de Darcy-Weisbach y el método de balance de Cross para la solución numérica de los circuitos hidráulicos. Sus características de manejo sencillo hacen de él una herramienta eficiente para la docencia en temas de análisis y diseño de sistemas hidráulicos o redes a presión.