Simulación CFD de cavitación en un Venturi

Abstract

L'objectiu d'aquest treball de fi de grau en Enginyeria mecànica és desenvolupar un model numèric mitjançant tècniques de dinàmica de fluids computacional (CFD) per caracteritzar la cavitació induïda per elements específics en sistemes hidràulics de flux a pressió. En particular, l'estudi es centra en un tub Venturi dissenyat per garantir i visualitzar la cavitació de l'aigua. Tradicionalment, aquesta tasca es realitza mitjançant assaigs experimentals en laboratoris, on es determina si ocorre cavitació i on es desenvolupa. No obstant això, la construcció i prova de cada component implica costos significatius, especialment quan el disseny inclou un procés d'optimització geomètrica. En aquests casos, combinar l'experimentació amb un enfocament numèric pot accelerar el procés, permetent descartar geometries no viables abans de procedir a la seva construcció i assaig, fet que redueix considerablement els costos associats. Per a aquest propòsit, s'utilitza un model numèric bidimensional basat en tècniques CFD. En concret, s'emprèn un model de turbulència SAS (Scale-Resolving Simulations), conjuntament amb una malla estructurada per a la discretització del component analitzat. La implementació del model es porta a terme en el programari comercial ANSYS, específicament en el seu gestor de sistemes de fluids (ANSYS FLUENT), el qual permet predir la cavitació en el dispositiu sota certes condicions de contorn com ara velocitat, pressió o diàmetre d'entrada, entre d'altres. Els resultats obtinguts s'analitzen i visualitzen posteriorment mitjançant el mateix ANSYS. Finalment, el procés es repeteix tant per a un model base amb paràmetres estàndard com per a un model amb valors modificats que cerca acostar-se més als resultats experimentals de projectes anteriors amb l'objectiu de comparar els seus resultats i avaluar el seu comportament davant la cavitació i així poder extrapolar els resultats a injectors de combustible.

El objetivo de este trabajo de fin de grado en Ingeniería mecánica es desarrollar un modelo numérico mediante técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) para caracterizar la cavitación inducida por elementos específicos en sistemas hidráulicos de flujo a presión. En particular, el estudio se centra en un tubo Venturi diseñado para garantizar y visualizar la cavitación del agua. Tradicionalmente, esta tarea se lleva a cabo mediante ensayos experimentales en laboratorios, donde se determina si ocurre cavitación y donde se desarrolla. Sin embargo, la construcción y prueba de cada componente implica costos significativos, especialmente cuando el diseño incluye un proceso de optimización geométrica. En estos casos, combinar la experimentación con un enfoque numérico puede acelerar el proceso, permitiendo descartar geometrías no viables antes de proceder a su construcción y ensayo, lo que reduce considerablemente los costes asociados. Para este propósito, se utiliza un modelo numérico bidimensional basado en técnicas CFD. En concreto, se emplea un modelo de turbulencia SAS (Scale-Resolving Simulations) , junto con una malla estructurada para la discretización del componente analizado. La implementación del modelo se lleva a cabo en el software comercial ANSYS, específicamente en su gestor de sistemas de fluidos (ANSYS FLUENT) , lo que permite predecir la cavitación en el dispositivo bajo ciertas condiciones de contorno como velocidad , presión o diámetro de entrada entre otros. Los resultados obtenidos se analizan y visualizan posteriormente mediante el propio ANSYS. Finalmente, el proceso se repite tanto para un modelo base con parámetros estándar como para un modelo con valores modificados que busca acercarse más a los resultados experimentales de proyectos anteriores con el objetivo de comparar sus resultados y evaluar su comportamiento frente a la cavitación y así poder extrapolar los resultados a inyectores de combustible.

The objective of this Bachelor's thesis in Mechanical Engineering is to develop a numerical model using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques to characterize cavitation induced by specific elements in pressurized flow hydraulic systems. In particular, the study focuses on a Venturi tube designed to guarantee and visualize water cavitation. Traditionally, this task is performed through experimental tests in laboratories, where it is determined whether cavitation occurs and where it develops. However, the construction and testing of each component involves significant costs, especially when the design includes a geometric optimization process. In these cases, combining experimentation with a numerical approach can accelerate the process, allowing the rejection of non-viable geometries before proceeding to their construction and testing, which significantly reduces the associated costs. For this purpose, a two-dimensional numerical model based on CFD techniques is used. Specifically, a Scale-Resolving Simulations (SAS) turbulence model is employed, along with a structured mesh for discretizing the analyzed component. The model is implemented in the commercial software ANSYS, specifically in its fluid system manager (ANSYS FLUENT), which allows the prediction of cavitation in the device under certain boundary conditions, such as velocity, pressure, or inlet diameter, among others. The results obtained are then analyzed and visualized using ANSYS itself. Finally, the process is repeated both for a baseline model with standard parameters and for a model with modified values that aim to better match the experimental results from previous projects, with the objective of comparing their results and evaluating their behavior against cavitation, in order to extrapolate the findings to fuel injectors.