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Two-phase transient flows in emptying processes of hydraulic pipelines with entrapped air have been studied in detail in the literature through the development of different mathematical models based on rigid column models. During literature review, it was found that transient flows representing pipeline emptying processes have been rarely studied by two-dimensional and three-dimensional analysis. This research begins demonstrating the behavior of air and water in pipelines during emptying processes, and the formulation of existing mathematical models, where two scenarios are considered: i) Emptying process of a branched hydraulic conduction with air valves, and ii) Emptying process of a simple hydraulic conduction without air valves. In this master thesis, two computational fluid dynamics (CFD) models were developed to study the hydraulic-thermodynamic parameters that occur in pipe emptying processes. An introduction to CFD modeling is performed for its use in the two-dimensional and three-dimensional analysis of two-phase transient flows. Subsequently, a 2D CFD model is performed to simulate Scenario No. 1 (branched hydraulic conduction with air valves), and a 3D CFD model is performed to simulate Scenario No. 2 (simple hydraulic conduction without air valves), described above. The geometric domains, meshing, boundary conditions, numerical schemes and calculation tolerances for the numerical solution of the Navier-Stokes equations for two-phase and compressible flows are defined for numerical processing. The 2D and 3D CFD models are validated with results obtained from experimental measurements carried out by other authors, and by means of a meshing sensitivity analysis. The CFD models show good correlation with the experimental results associated with pressure patterns, velocity, water column length, and allow to visualize in greater detail transient phenomena that are not captured by the mathematical models. These CFD models are compared numerically with their respective mathematical models showing a good agreement, and finally a description of the advantages and disadvantages of the use of mathematical models (1D) and CFD models (2D and 3D) in the resolution of hydraulic engineering problems is performed.

Los estudios de las presiones subatmosféricas han sido muy detallados en las operaciones de llenado de tuberías, pero su estudio en los procesos de vaciado ha sido muy escaso debido a que se han realizado pocos modelos experimentales y numéricos que predicen dicho fenómeno. Un grupo de autores formularon un modelo matemático con el objetivo de estudiar este fenómeno en el proceso de vaciado acompañado de sus casos experimentales en la Universidad Politécnica de Valencia, España, basado en varias pruebas en una tubería simple de 4.36 metros de longitud, 42 milímetros de diámetro interno, la cual posee una bolsa de aire atrapada aguas arriba cuyas dimensiones son conocidas, y se realizaron unos orificios que simularon la admisión de aire a través de una ventosa. Para la medición de las presiones subatmosféricas de la bolsa de aire se utilizó un transductor de presión para obtener resultados en diferentes condiciones, y posteriormente se comprobó sus respectivos comportamientos a través del modelo en 1D. Para comprobar este fenómeno a través del modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) en 2D, se trabajó en el software OpenFOAM, determinando dentro del mismo las dimensiones geométricas equivalentes, las condiciones de contorno conforme a las condiciones reales en las que se realizaron los casos experimentales, y posteriormente la elección de un modelo turbulento para garantizar mayor precisión en los valores numéricos. De acuerdo con los resultados obtenidos, se comprobó que el comportamiento de la presión de la bolsa de aire en el modelo CFD es similar al comportamiento en los casos experimentales y el modelo matemático propuesto, incluso se convierte en un factor de investigación para la prueba a través de una representación en 3D y su respectiva comparación con estos modelos en cuanto a sus resultados, además de una exploración de diferentes modelos de turbulencia. Incluye referencias bibliográficas (páginas 36- 38)