Optimización de un banco de ensayos de cavitación mediante fluidodinámica computacional

Abstract

Los flujos cavitantes se corresponden a una estructura bifásica (líquido-vapor) cuando la presión del líquido disminuye hasta su presión de vapor, pv. La aparición y el posterior colapso de cavidades de vapor cerca de paredes sólidas, generan pulsos de presión de alta frecuencia que ocasionan la falla por fatiga del material sólido, y pérdida de rendimiento y daño mecánico en turbomáquinas. Experimentos que identifican el patrón de flujos cavitantes muestran que el estado de cavitación desarrollada puede tener diferentes estructuras no estacionarias, en algunos casos del tipo periódica. Éstas dependen de su estado fluidodinámico, siendo algunas de ellas más agresivas desde el punto de vista del daño por cavitación. Relacionados con el daño por cavitación en materiales, existen montajes experimentales orientados a estudios que implican la búsqueda y/o desarrollo de materiales resistentes al daño por cavitación. Debido al alto costo de los experimentos en bancos hidrodinámicos, es de interés evaluar las condiciones óptimas de cavitación que maximicen el daño en probetas de materiales resistentes a este fenómeno. Esto puede hacerse mediante modelado numérico (CFD), ya que es posible caracterizar el tipo de estructura que posee la zona de vaporización/colapso de las burbujas en estos dispositivos de ensayo, aunque este tipo de flujo muestra una gran complejidad en su modelado, debido a que se debe tener en cuenta el estado bifásico y turbulento del flujo. El objetivo de este trabajo ha sido contribuir mediante el uso de CFD a la optimización del diseño de un banco de ensayos hidrodinámico actualmente en construcción, para el ensayo de probetas de diversos aleaciones de materiales que se usarán para recargue de álabes de turbinas. Se necesita garantizar que existan mecanismos de cavitación lo más agresivos posibles en el dispositivo de ensayo en donde se insertarán las probetas de cara a minimizar los tiempos de ensayo, que son del orden de 150 horas. El estudio mediante CFD se ha hecho aplicando diferentes modelos para la cavitación y para la turbulencia, utilizando los estudios de validación y de sensibilidad a parámetros de los submodelos ya realizados en un trabajo previo al presente trabajo.