Las aplicaciones donde aparecen fenómenos hidráulicos son de gran interés industrial y científico debido a su inherente complejidad en casos como la interacción fluido-estructura y la cavitación, o debido a sus efectos sobre el rendimiento energético de las máquinas hidráulicas, como la generación de inestabilidades, ruido y vibraciones.
En consecuencia, es necesario avanzar en la comprensión de estos fenómenos hidráulicos en todas sus formas, tanto mediante pruebas experimentales como simulaciones numéricas. Por un lado, hay que poder controlar sus efectos adversos en todo tipo de maquinaria hidráulica y mejorar los diseños y, por otro lado, hay que desarrollar nuevas tecnologías que beneficien a la industria y la sociedad en general, como la protección del medio ambiente.
En este sentido, el grupo de investigación Barcelona Fluids & Energy Lab (IFLUIDS) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) pone al servicio de la industria sus instalaciones experimentales para el estudio de diferentes fenómenos hidráulicos. Estas instalaciones cuentan con un circuito hidráulico cerrado por el cual circula un fluido impulsado por una bomba centrífuga que alimenta una sección de ensayo donde se puede ubicar el objeto del ensayo (imagen 1). Este túnel hidrodinámico dispone de un sistema de control que permite ajustar independientemente el caudal circulante y la presión de referencia durante su operación. La instalación está instrumentalizada con todo tipo de sensores y un sistema de adquisición y registro de señales que permite monitorizar las variables de operación en tiempo real durante los ensayos, por ejemplo, el caudal, la presión, la temperatura o las vibraciones. Para permitir la visualización y filmación de los fenómenos fluidodinámicos de interés, la sección de ensayo está construida con paredes transparentes.
Así, algunos de los estudios que se pueden llevar a cabo a la instalación experimental del Barcelona Fluids & Energy Lab, aprovechando toda su capacidad computacional, son:
- Los efectos de la interacción fluido-estructura en máquinas hidráulicas
- La aparición y causa de inestabilidades en instalaciones hidráulicas
- La turbulencia generada por perfiles hidrodinámicos y otras geometrías
- Las fuerzas fluidodinámicas generadas sobre perfiles hidrodinámicos y otras geometrías
- Las pérdidas de carga en componentes como válvulas, filtros, etc.
- El origen de la generación de ruido y vibraciones en instalaciones hidráulicas y nuevos métodos para conseguir su mitigación
- La aparición y la erosión causado por la cavitación en perfiles hidráulicos
- El diseño y validación de perfiles hidráulicos que reducen el riesgo de cavitación
- El efecto de la cavitación y otros fenómenos hidráulicos en fluidos de composición especial y en reacciones químicas
- El desarrollo de sensores e instrumentación de medida de flujo
- La validación de modelos numéricos mediante ensayos experimentales ad hoc
- Los efectos de la temperatura en el rendimiento y operación de equipos hidráulicos
Un caso de estudio: Estudio del comportamiento de un caudalímetro en régimen de operación con cavitación
Los dispositivos de medida de caudal por diferencia de presiones con geometrías con restricción de la sección de presentan una elevada sensibilidad a la formación y presencia de cavitación. El túnel de cavitación ha permitido estudiar el comportamiento de este tipo de geometrías en regímenes de operación bajo condiciones de cavitación. Por ejemplo, se ha podido caracterizar la pérdida de carga en Venturis en función del caudal y la temperatura de operación (vídeo 1), a la vez que se visualizaban las estructuras de cavitación que se forman en la garganta mediante imágenes obtenidas con cámaras de alta velocidad de filmación y gran sensibilidad (vídeo 2). Las medidas y el estudio de los resultados han permitido ampliar el rango de operación y precisión de este tipo de geometría para medir los caudales.
