Modelamiento matemático de flujo bifásico : efecto de la velocidad de la onda de presión sobre la magnitud y distribución de presiones

Abstract

RESUMEN: El accionamiento rápido de sistemas de control puede producir flujos transitorios en los cuales se alcanza la presión de vapor, produciéndose flujo en dos fases: líquido y vapor. En algunos casos, adicionalmente, puede ocurrir cavitación. En estas condiciones el flujo se caracteriza por variaciones espaciales y temporales de la velocidad de las ondas de presión debido a un incremento en la fracción de vacío. Típicamente la velocidad de la onda de presión en flujo bifásico se determina usando la suposición de proceso isotérmico, como en la ecuación de Wylie. En esta investigación, se introdujo el comportamiento de proceso politrópico y se obtuvo una nueva ecuación. Para verificar la validez de los resultados numéricos, se construyó un montaje experimental, los resultados obtenidos se usaron para analizar la respuesta del sistema y estudiar la variación de la velocidad de la onda a lo largo de la zona de cavitación vaporosa distribuida. Una buena predicción de la magnitud de la máxima presión con ambos modelos fue obtenida; sin embargo, comparado con los datos medidos, ambos modelos predicen mayores intervalos de tiempo entre pulsos de presión consecutivos. En general, mejores predicciones se obtuvieron con la expresión de velocidad de onda bajo flujo adiabático. El volumen de la cavidad de vapor fue similar para ambos métodos, ambos modelos predijeron la formación de cavidades adicionales no detectadas en los resultados experimentales

ABSTRACT: Quick movements of flow control system devices can produce transient flows where vapor pressure is reached, creating two-phase flows: liquid-vapor. Cavitation can be present in some cases. Under these conditions, the flow is characterized by spatial and temporal changes in the velocity of pressure waves due to an increase in the void fraction. Typically the wave velocity in two-phase flows is determined using an isothermal assumption like Wylie’s equation. In this research the adiabatic assumption was introduced and a new equation was obtained. Experimental set up was built; the results were used to analyze the system response and to study the wave velocity variation along the distributed vaporous cavitation zone and the vapor cavity. The experimental results were compared to numerical simulations assuming adiabatic and isothermal bubble vapor behavior. A good prediction of the maximum pressures magnitude was obtained with both models; however, both models predicted longer time intervals between consecutive pressure pulses compared to the measured data. In general, better predictions were obtained with the adiabatic wave velocity expression. The volume of the vapor cavity obtained by using adiabatic or isothermal behavior was similar; however, both models predicted the creation of additional cavities not detected in the experimental results.