Desarrollo de modelo numérico para la detección de cavitación en tubos Venturi mediante técnicas CFD

Abstract

[ES] El objeto del presente trabajo de final de grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales es desarrollar un modelo numérico basado en técnicas de dinámicas de fluidos computacional (CFD) que permita la caracterización de la cavitación inducida por elementos singulares en instalaciones hidráulicas de flujo a presión, en concreto, en un tubo Venturi perteneciente a una instalación industrial. El objetivo de esta instalación industrial es garantizar la disolución de una sustancia en agua. Dicha tarea suele llevarse a cabo bajo un enfoque experimental, determinándose si ocurre y cómo ocurre la cavitación en laboratorio. No obstante, la construcción y ensayo de cada elemento supone unos costes elevados, especialmente, si se contempla un proceso de optimización de su geometría como parte del proceso de diseño. 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 el laboratorio, con la reducción de costes que ello implica. A tal efecto, el presente trabajo emplea un modelo numérico bidimensional basado en técnicas CFD. En particular, se emplea un modelo de cierre de turbulencia RANS RNG képsilon, de amplia aplicación en el ámbito ingenieril, y una malla estructurada para la discretización del elemento estudiado, cuya convergencia de resultados es también analizada. Todo ello es implementado en una plataforma de código abierto OpenFOAM, lo que permite, dadas unas condiciones de contorno de velocidad y presión determinadas, predecir la ocurrencia de cavitación en el dispositivo en cuestión. Posteriormente, todos los resultados son analizados y visualizados mediante la herramienta ParaView. Finalmente, se repite el proceso con dos geometrías diferentes, con el fin de poder compararlas entre ellas, y analizar estos resultados.

[CA] L'objecte d’aquest projecte de final de grau d’Enginyeria de Tecnologies Industrials és desenvolupar un model numèric basat en tècniques de dinàmica de fluids computacional (CFD) que permeta la caracterització de la cavitació induïda per elements singulars en instal·lacions hidràuliques de flux a pressió, en concret, en un tub Venturi pertanyent a una instal·lació industrial. L’objectiu d’aquesta instal·lació industrial és garantir la dissolució d’una substància en aigua. Aquesta tasca sol dur-se a terme baix un enfocament experimental, determinant-se si ocorre i cóm ocorre la cavitació en laboratori. No obstant això, la manufactura i assaig de cada element suposa uns costos elevats, especialment, si es contempla un procés d'optimització de la seua geometria com a part del procés de disseny. En aquests casos, la combinació d'aquesta metodologia amb un enfocament numèric permet agilitzar el procés, podent descartar-se certes geometries abans de la seua construcció i assaig en laboratori, amb la reducció de costos que això implica. D’aquesta manera, el present treball planteja un model numèric bidimensional basat en tècniques CFD. En particular, s'empra un model de tancament de turbulència RANS RNG kepsilon, d'àmplia aplicació en l'àmbit enginyeria, i una malla estructurada per a la desratització de l'element estudiat, la convergència de resultats del qual es també analitzada. Tot això és implementat a la plataforma de codi obert OpenFOAM, la qual cosa permet, donades unes condicions de contorn de velocitat i pressió determinades, predir l'ocurrència de cavitació en el dispositiu en qüestió. Posteriorment tots els resultats són analitzats i visualitzats mitjançant ParaView. Finalment, es repeteix el procés amb dues geometries diferents, amb la finalitat de poder comparar-les entre elles, i analitzar aquests resultats.

[EN] The aim of this Final Project of the Degree in Industrial Technology Engineering is to develop a numerical model based on computational fluid dynamics techniques (CFD) that allows the characterization of cavitation induced by singular elements in hydraulic pressure flow systems, specifically in a Venturi tube belonging to an industrial facility. The main purpose for this industrial facility is to ensure the dissolution of a substance in water. This task is usually carried out under experimental approach, determining whether and how laboratory cavitation occurs. However, the manufacturing and testing of each element involves high costs, especially if a geometry optimization process is envisaged as part of the design process. In these cases, the combination of this methodology with a numerical approach allows the process to be speeded up, and certain geometries can be discarded before construction and laboratory testing, with the resulting reduction in costs. To this end, this work raises two-dimensional numerical model based on computational fluid dynamics (CFD) techniques. In particular, a RANS RNG k-épsilon turbulence closure model, widely applied in the engineering field, and a structured mesh for the discretization of the studied element, whose convergence of results is analyzed. All that is implemented on the open source platform OpenFOAM, which allows, given certain speed and pressure contour conditions, to predict the occurrence of cavitation in the subject object. All results are then analyzed and visualized using the ParaView tool. Finally, the process is carried out again with two different geometries, in order to compare them and analyzed these results.