Caracterización del tipo de cavitación mediante dinámica computacional de fluidos para posteriores aplicaciones al estudio experimental del daño por cavitación

Abstract

La cavitación se corresponde a una estructura bifásica (líquido-vapor) cuando la presión del líquido disminuye hasta su presión de vapor, pv. Esta disminución de pv puede deberse a diversos factores relacionados con la hidrodinámica del flujo y las propiedades físicas del fluido, pudiendo presentar diferentes características. En la cavitación hidrodinámica, pueden distinguirse efectos que pueden producir un acoplamiento fluido-estructura (lock-in) que puede favorecen la falla del material, sólido que confina al fluido, lo que conduce a la pérdida de rendimiento y daño mecánico en turbomáquinas. Los ensayos experimentales muestran que el estado de cavitación desarrollada puede tener diferentes estructuras, (e.g. de burbujas, de lámina, supercavitación, etc.), siendo algunas de ellas de tipo periódica. Estas estructuras dependen del estado fluidodinámico del flujo, siendo algunas de ellas más agresivas desde el punto de vista del daño por cavitación. Debido al costo de los experimentos, es de interés evaluar si mediante dinámica computacional de fluidos (CFD) se puede caracterizar el tipo de estructura que posee la zona de vaporización/colapso de las burbujas en diferentes dispositivos hidrodinámicos. Este tipo de flujo muestra una gran complejidad ya que deben tenerse en cuenta el estado bifásico y turbulento del flujo. El objetivo de este trabajo es demostrar si es posible caracterizar mediante CFD el tipo de estructura que se presenta cuando hay cavitación desarrollada, utilizando datos experimentales para una configuración de flujo sobre un escalón, probándose primero las aproximaciones que se obtienen mediante CFD. Se estudia la validación y la sensibilidad a parámetros de modelado con el objetivo de aplicar el conocimiento adquirido a la optimización del diseño de probetas que se insertarán en un banco de ensayos hidrodinámico para la comprobación de la resistencia al daño por cavitación de distintos materiales. Se identifican parámetros que permitan reproducir las condiciones de cavitación más agresiva con el objeto de reducir los tiempos de ensayo.