Quando si ferma bruscamente un liquido in moto, l'energia cinetica si trasforma in pressione e un'onda di pressione percorre la tubazione. Se è abbastanza forte, il tubo, i raccordi o le apparecchiature si danneggiano.
Il tempo critico: l'andata e ritorno dell'onda
L'onda di pressione percorre la tubazione a una velocità prossima a quella del suono, si riflette all'estremità e torna indietro. Il tempo per tornare alla valvola dipende dalla lunghezza della tubazione e dalla celerità dell'onda.
La regola è questa: se il tempo di chiusura è più breve di quell'andata e ritorno, l'aumento di pressione raggiunge il massimo — il caso della chiusura istantanea. Se è più lungo, l'onda riflessa torna prima che la chiusura sia completa e limita l'aumento.
Quindi «chiudere lentamente» è relativo: due secondi sono lenti su una linea corta e istantanei su una linea lunga chilometri.
La celerità dipende dall'elasticità della tubazione
La velocità del suono nel liquido è un limite superiore; se la parete del tubo si deforma, la celerità effettiva cala e l'aumento di pressione si riduce. Il colpo d'ariete è quindi più dolce nelle tubazioni di plastica che in quelle d'acciaio.
Se nel liquido c'è gas libero, la celerità crolla — una piccola quantità d'aria addolcisce nettamente il transitorio. È insieme un rimedio e una fonte di incertezza.
Separazione della colonna: il vero pericolo
Se un'onda di rarefazione porta la pressione sotto la tensione di vapore in qualche punto, la colonna liquida si separa e si forma una cavità di vapore. Quando l'onda torna, quella cavità collassa e produce un picco di pressione molto più severo di quello originario.
La maggior parte dei danni alle tubazioni è causata non dal transitorio diretto ma da quel collasso secondario. Vedi la nota sulla cavitazione.
Modellazione
Il problema è una propagazione d'onda unidimensionale e si tratta di solito con modelli di linea; qui la CFD tridimensionale non serve. La CFD contribuisce sulle domande locali: il flusso dentro la valvola, dove inizia la cavitazione, la distribuzione delle forze sulle apparecchiature.
In entrambi i casi la soluzione è comprimibile e transitoria; un'ipotesi incomprimibile cancella del tutto l'onda.
Riferimenti
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6