Diameter-Dependent Roughness Characterization and Cross-Standard Validation of Hydraulic Friction Loss in Flexible Fire Hoses

Resumen Técnico: Caracterización de la Rugosidad Dependiente del Diámetro y Validación Transversal de la Pérdida de Fricción Hidráulica en Mangueras Contra Incendios Flexibles

Planteamiento del Problema
La caracterización precisa de la pérdida por fricción es crítica para el diseño y la seguridad de los sistemas de suministro de agua para la protección contra incendios. Si bien las teorías clásicas de flujo en tuberías (p. ej., Darcy-Weisbach, Colebrook-White) y las correlaciones de tuberías lisas están bien establecidas para conductos rígidos, resultan inadecuadas para las mangueras contra incendios flexibles. Estas mangueras poseen entornos hidráulicos únicos caracterizados por la rugosidad del revestimiento de caucho, irregularidades estructurales de la cubierta tejida y la deformación de la pared bajo presión.

En China, la norma nacional GB 50974-2014 prescribe coeficientes de resistencia de referencia para mangueras D40 (40 mm) y D65 (65 mm). Sin embargo, estos valores se derivaron de datos históricos limitados y no han sido validados sistemáticamente frente a los productos de manguera contemporáneos fabricados con tecnologías modernas de tejido textil y compuestos de caucho. Además, la literatura existente suele centrarse en las especificaciones de mangueras de EE. UU. o en comportamientos de deformación específicos sin medir directamente los coeficientes de pérdida por fricción para los tipos de manguera desplegados universalmente en los servicios de bomberos chinos. Esta brecha crea el riesgo de subestimar o sobreestimar las caídas de presión, lo que podría comprometer la eficacia de la lucha contra incendios o conducir a diseños de sistemas innecesariamente conservadores.

Metodología
El estudio empleó un enfoque dual que combina experimentos controlados de laboratorio y simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para investigar mangueras contra incendios de tejido con revestimiento de caucho D40 y D65.

• Configuración Experimental: Se probó un tendido de manguera recta de 20 metros utilizando una bomba de camión de bomberos capaz de suministrar hasta 25 L/s. La instrumentación de alta precisión, que incluye un caudalímetro electromagnético (precisión de ±0.5%) y un transmisor de presión diferencial calibrado (precisión de ±0.25%), midió las caídas de presión a través de la sección de prueba.
• Condiciones de Prueba: Los experimentos se realizaron a temperaturas ambiente (~20°C). Para la manguera D40, se recolectaron 15 puntos de datos a través de seis grupos de prueba (caudales de 4.0–5.8 L/s). Para la manguera D65, se recolectaron 42 puntos de datos a través de siete grupos (caudales de 7.8–12.5 L/s).
• Procesamiento de Datos: Los coeficientes de resistencia ($S$) se calcularon utilizando la relación derivada de la ecuación de Darcy-Weisbach ($S = \Delta P / (9.81 \times Q^2 \times L)$). Se utilizaron la regresión lineal y el ajuste de la ley de potencia para verificar la relación cuadrática entre la caída de presión y el caudal, y para determinar los exponentes del régimen de flujo.
• Simulación CFD: Se realizaron simulaciones tridimensionales RANS utilizando el modelo de turbulencia SST $k-\omega$ para validar los resultados experimentales y visualizar las estructuras de flujo interno. Las superficies internas de la manguera se modelaron con alturas de rugosidad de grano de arena equivalentes (0.13 mm para D40, 0.10 mm para D65) derivadas de los factores de fricción experimentales. Los estudios de independencia de malla confirmaron soluciones de malla convergente.

Resultados Clave

• Coeficientes de Resistencia: Los coeficientes de resistencia medios determinados experimentalmente fueron de 0.0449 s²/L²·m para la manguera D40 y 0.00226 s²/L²·m para la manguera D65. Estos valores muestran una excelente concordancia con las referencias de la norma GB 50974-2014 (0.045 y 0.0022, respectivamente), produciendo errores relativos de 0.22% y 2.73%.
• Validación del Régimen de Flujo: El análisis de la ley de potencia arrojó exponentes de 1.987 para D40 y 1.974 para D65. Estos valores son cercanos al valor teórico de 2.0, lo que confirma que el flujo opera en un régimen totalmente turbulento y valida el modelo de pérdida de fricción cuadrática para cálculos de ingeniería.
• Discrepancia del Factor de Fricción: Se encontró que los factores de fricción de Darcy derivados de los experimentos son de dos a tres veces superiores a las predicciones hechas por la ecuación de Blasius para tuberías lisas. Esto destaca el impacto significativo de la rugosidad interna de la manguera y las irregularidades estructurales.
• Validación CFD: El modelo CFD demostró una excelente concordancia con los datos experimentales, con errores relativos absolutos medios de 1.0% (D40) y 1.1% (D65). Las simulaciones confirmaron que la región de entrada representa menos del 2% de la caída de presión total y proporcionaron información detallada sobre la distribución del esfuerzo cortante de la pared y la energía cinética de turbulencia, que alcanzan su máximo en la capa de transición cercana a la pared.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona una validación experimental robusta para los coeficientes de resistencia actuales especificados en las normas nacionales chinas, confirmando su aplicabilidad a la fabricación moderna de mangueras. La investigación enfatiza que las estimaciones teóricas basadas en supuestos de tuberías lisas son insuficientes para las mangueras contra incendios flexibles debido a los efectos combinados de la rugosidad del revestimiento de caucho, las irregularidades de la cubierta tejida y la deformación de la pared.

Al confirmar la validez del modelo de pérdida de fricción cuadrática y cuantificar los coeficientes de resistencia específicos, el estudio respalda el uso continuo de los valores de diseño establecidos en la práctica de ingeniería, al tiempo que subraya la necesidad crítica de depender de coeficientes determinados empíricamente en lugar de estimaciones teóricas de tuberías lisas para un análisis de red hidráulica preciso y la optimización de la seguridad del sistema. El modelo CFD validado ofrece además una herramienta fiable para investigar la física del flujo interno y extrapolar las predicciones de pérdida de fricción más allá de los rangos probados.