Caracterización de pérdidas de carga en válvulas de mariposa mediante técnicas CFD

Abstract

[ES] El objeto del presente trabajo es desarrollar un modelo numérico basado en técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que permita la caracterización del coeficiente de pérdidas de carga localizadas (K) que induce una válvula de mariposa para la regulación de instalaciones hidráulicas. Dicho modelo ha de permitir obtener el valor de K en función del grado de apertura de la válvula, dato fundamental en las especificaciones técnicas del dispositivo. Dicha tarea suele llevarse a cabo bajo un enfoque experimental, determinándose dichas pérdidas en laboratorio y ajustándose un coeficiente de pérdidas proporcional al cuadrado del caudal circulante a partir de la cuantificación de pérdidasa diferentes grados de apertura. No obstante, la manufactura y ensayo de cada elemento supone unos costes elevados, especialmente, si se contempla un proceso de optimización de su geometría. En estos casos, la combinación de esta metodología con un enfoque numérico permite agilizar el proceso, pudiendo descartarse ciertas geometrías antes de su construcción y ensayo en laboratorio, con la reducción de costes que ello implica.

A tal efecto, el presente trabajo plantea un modelo numérico tridimensional basado en técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD). En particular, empleará el algoritmo SIMPLE, con un modelo de cierre de turbulencia RANS RNG k-epsilon, de amplia aplicación en el ámbito ingenieril, y una malla estructurada para la discretización del elemento estudiado, cuya convergencia de resultados será también analizada. Todo ello será implementado en la plataforma de código abierto OpenFOAM, lo que permitirá, dadas unas condiciones de contorno de velocidad y presión determinadas, predecir las pérdidas de carga causadas por el dispositivo en cuestión.

A fin de validar el modelo numérico desarrollado, sus resultados se contrastarán con datos experimentales con los valores empíricos disponibles en la bibliografía técnica, fruto de un trabajo de revisión bibliográfica. En función de los resultados obtenidos, se llevará a cabo un proceso de calibración del modelo hasta alcanzar el óptimo de precisión, lo que permite, además, determinar la sensibilidad del modelo a diferentes parámetros.

[EN] The goal of this work is to develop a numerical model based on computational fluid dynamics (CFD) techniques. This model will allow characterizing the coefficient of hydraulic head losses caused by butterfly valve to regulate hydraulic facilities. The work aims at obtaining the value of K according to the valve opening degree, which crucial information of the device's the technical specifications. This task is generally conducted using an experimental approch, being these losses determined in laboratory tests and a loss coefficient proportional to the square of the flow rate subsequently fitted using data corresponding to different opening degrees. However, manufacturing and testing these devices lead to large costs, especially, if a process of geometry optimization is involved. In such cases, combining this methodology with a nummerical approach allows lightening the process, ruling out certain geometries before being manufactured and tested in laboratory, with the consequent cost saving.

To this end, the work discussed herein suggests a tridimensional numerical model based on computational fluid dynamics (CFD) techniques. In particular, employing the SIMPLE algorithm, with a RNG k-epsilon turbulence closure model, widely used in the engineering field, and a structured mesh to discretize the studied device, whose convergence will also be analyzed. All this will be implemented in the open source platform OpenFOAM, which will allow, given certain boundary conditions of velocity and pressure, estimate the hydraulic head losses caused by the analyzed device.

In order to validate the numerical model developed, its results will be compared to data available in the technical literature, obtained through a bibliografic survey. According to the results obtained, a process of model calibration can be conducted, aiming at improving the model accuracy as well as determining the model sensitivity to different parameters.