Análisis Experimental y Numérico de Chorros Cavitantes Inducidos por Boquillas: Instrumentación Óptica, Fluctuaciones de Presión y Modelado de Turbulencia Anisotrópica
Autores: West, Luís Gustavo Macêdo; Simões, André Jackson Ramos; Teixeira, Leandro do Rozário; dos Anjos, Igor Silva Moreira; Devesa, Antônio Samuel Bacelar de Freitas; Oliveira, Lucas Ramalho; Gomes, Juliane Grasiela de Carvalho; Gomes, Leonardo Rafael Teixeira Cotrim; Pereira, Lucas Gomes; Soares Junior, Luiz Carlos Simões; Guedes, Germano Pinto; Demetino, Geydison Gonzaga; da Silva, Marcus Vinícius Sant
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Análisis Experimental y Numérico de Chorros Cavitantes Inducidos por Boquillas: Instrumentación Óptica, Fluctuaciones de Presión y Modelado de Turbulencia Anisotrópica
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Cavitación
Experimental
Métodos numéricos
Instrumentación óptica
Fluctuaciones de presión
Vaporización
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La cavitación ha sido ampliamente explorada para mejorar procesos físicos y químicos en diversas aplicaciones. Este estudio tuvo como objetivo modelar las características clave de un chorro de cavitación, inducido por una boquilla de orificio triangular, utilizando métodos experimentales y numéricos. Se emplearon instrumentación óptica, un transductor de presión y las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS). La instrumentación óptica y la fotografía de alta velocidad detectaron el flujo bifásico generado por la vaporización del agua, revelando un patrón medio de decaimiento. Las fluctuaciones de irradiancia y la evidencia fotográfica proporcionaron resultados sobre la dinámica de transmisión de luz a través de chorros de cavitación. Las fluctuaciones de presión exhibieron un crecimiento y decaimiento similares, apoyando la instrumentación óptica como un método viable para evaluar la intensidad de la cavitación. Los datos experimentales mostraron una fuerte relación entre la irradiancia y la tasa de flujo (R2 = 0.998). Esto permitió la correlación de la desviación estándar de las mediciones de presión instantáneas y la tasa de flujo normalizada (R2 = 0.977). Además, la fracción de volumen de vapor y la tasa de flujo normalizada alcanzaron un coeficiente de correlación de 0.999. En el lado de la simulación, el modo de turbulencia SSG-RSM mostró un mejor acuerdo con los datos experimentales, con desviaciones relativas que oscilaban entre el 2.1% y el 6.6%. Los resultados numéricos sugieren que la longitud del chorro de vapor está relacionada con la fracción de vapor a través de una ley de potencia, lo que permite el desarrollo de nuevas ecuaciones. Estos resultados demostraron que el modelado de turbulencia anisotrópica es esencial para reproducir observaciones experimentales en comparación con las propiedades del flujo medio. Basado en el acuerdo entre el modelo numérico y los datos experimentales para las cantidades de flujo medio, se propone una formulación para estimar la longitud del chorro que se origina en la boquilla, ofreciendo un enfoque predictivo para el comportamiento del chorro de cavitación.
Descripción
La cavitación ha sido ampliamente explorada para mejorar procesos físicos y químicos en diversas aplicaciones. Este estudio tuvo como objetivo modelar las características clave de un chorro de cavitación, inducido por una boquilla de orificio triangular, utilizando métodos experimentales y numéricos. Se emplearon instrumentación óptica, un transductor de presión y las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS). La instrumentación óptica y la fotografía de alta velocidad detectaron el flujo bifásico generado por la vaporización del agua, revelando un patrón medio de decaimiento. Las fluctuaciones de irradiancia y la evidencia fotográfica proporcionaron resultados sobre la dinámica de transmisión de luz a través de chorros de cavitación. Las fluctuaciones de presión exhibieron un crecimiento y decaimiento similares, apoyando la instrumentación óptica como un método viable para evaluar la intensidad de la cavitación. Los datos experimentales mostraron una fuerte relación entre la irradiancia y la tasa de flujo (R2 = 0.998). Esto permitió la correlación de la desviación estándar de las mediciones de presión instantáneas y la tasa de flujo normalizada (R2 = 0.977). Además, la fracción de volumen de vapor y la tasa de flujo normalizada alcanzaron un coeficiente de correlación de 0.999. En el lado de la simulación, el modo de turbulencia SSG-RSM mostró un mejor acuerdo con los datos experimentales, con desviaciones relativas que oscilaban entre el 2.1% y el 6.6%. Los resultados numéricos sugieren que la longitud del chorro de vapor está relacionada con la fracción de vapor a través de una ley de potencia, lo que permite el desarrollo de nuevas ecuaciones. Estos resultados demostraron que el modelado de turbulencia anisotrópica es esencial para reproducir observaciones experimentales en comparación con las propiedades del flujo medio. Basado en el acuerdo entre el modelo numérico y los datos experimentales para las cantidades de flujo medio, se propone una formulación para estimar la longitud del chorro que se origina en la boquilla, ofreciendo un enfoque predictivo para el comportamiento del chorro de cavitación.