Estimando si el flujo a través de una válvula o boquilla cavita

Tengo entendido que la cavitación ocurre en el flujo de un líquido cuando la presión estática cae por debajo de la presión de vapor, incluso de manera intermitente. Por lo tanto, incluso si la presión estática promediada en el tiempo (lo que se podría medir) está por encima de la presión de vapor, las fluctuaciones de presión por turbulencia u otra inestabilidad podrían ser lo suficientemente grandes como para causar cavitación local. Entonces, comparar la presión estática promediada en el tiempo con la presión de vapor no es suficiente; necesita agregar un cojín extra para tener en cuenta las fluctuaciones de presión. (Esta es mi interpretación, no haber leído demasiado profundamente en esto).

Entonces, en varios libros, sitios web y artículos de revistas, he visto dos tipos diferentes de números adimensionales para estimar si el flujo a través de una válvula o boquilla cavita. Generalmente se denominan índice de cavitación o número de cavitación. Toman una de dos formas:

o

donde es la presión de entrada, es la presión de salida, es la presión de vapor, es la densidad del líquido y es alguna velocidad característica del flujo (digamos, en el caso de la boquilla, la velocidad en la salida). Algunas formas de este número son inversiones de los números anteriores, pero no son tan diferentes.p fuera p vapor ρ $p_\text{in}$$p_\text{out}$$p_\text{vapor}$$\rho$$V$

¿Cuál es la diferencia entre estos parámetros? Con base en la conservación de energía, puede relacionar la caída de presión con la velocidad de flujo, pero generalmente hay un coeficiente empírico agregado para tener en cuenta las no ideales. ¿Hay algo más que me estoy perdiendo?

¿Se prefiere una forma sobre la otra? Lo mejor que puedo decir si usar uno u otro depende de qué tipo de datos tenga (por lo tanto, para el flujo sobre una pala de turbina, se prefiere la forma de velocidad), pero he visto ambos incluso para las boquillas.

¿Dónde puedo obtener datos precisos para predecir la cavitación en función de estos números? Intenté usar algunos datos en boquillas atomizadoras de varios artículos de revistas, pero generalmente usan diferentes formas del número de cavitación. Algunos de los datos sugieren que el flujo a través de la boquilla cavitará a las presiones que quiero, pero otros datos para boquillas similares sugieren que no lo hará. No estoy seguro de cuál es la fuente de la inconsistencia. Mi comprensión podría ser defectuosa, el modelo del número de cavitación podría ser demasiado simplista, los datos podrían ser inexactos, etc.

La diferencia entre las dos ecuaciones.

$V$$V_{in}$$p_{in}$

¿Se prefiere una forma sobre la otra?

En toda mi experiencia trabajando en la investigación de cavitación durante muchos años, casi siempre hemos usado la última ecuación que mencionaste (aunque principalmente he estado trabajando en hidroalas y sistemas de propulsión). La razón es que podríamos obtener medidas de velocidad no intrusivas más precisas utilizando la velocimetría láser Doppler (LDV) que utilizando un método intrusivo.

¿Dónde puedo obtener datos precisos para predecir la cavitación en función de estos números?

Es difícil usar datos experimentales para predecir el número de cavitación debido a las diferencias en cosas como la intensidad de la turbulencia y el contenido de núcleos de aire, que son difíciles de igualar en realidad con métodos de laboratorio controlados. Tradicionalmente, en mis círculos, esto se realiza ejecutando algunos códigos de análisis CFD en su diseño. Aquí hay dos enfoques diferentes: (1) calcular el flujo medio promedio usando una técnica RANS o LES, y (2) usando un código de dinámica de burbujas que modelará los núcleos de aire, pero requiere un campo de flujo (ya sea de medidas experimentales o de del modelo CFD). Si usa un modelo RANS CFD típico para calcular el campo de flujo, debería proporcionarle el coeficiente de presión que tiene una definición muy similar al número de cavitación:

Si está haciendo algún cálculo de CFD en su boquilla, debe encontrar la ubicación de la presión mínima, y ​​ese es el lugar donde debe ocurrir la cavitación. Puede inferir el número de cavitación de este coeficiente de presión como:

$C_P^{min}$

Si desea obtener un número más preciso, debe tener en cuenta que el inicio de la cavitación requiere que sucedan tres cosas al mismo tiempo: (1) un área local de presión que está por debajo de la presión de vapor del agua, (2) un núcleo de aire que entra en esa región de baja presión, y (3) los núcleos de aire deben estar a baja presión durante un tiempo suficientemente significativo que básicamente crezca rápidamente, se vuelva inestable y, por lo tanto, se colapse. La forma en que las personas han podido estimar esto con mayor precisión es mediante el uso de un método lagrangiano que simula el envío de núcleos de aire a través de un conjunto de datos Eulerian CFD. Algunos de los verdaderos expertos en este campo son las personas en Dynaflow-inc.com. Podría sugerir echar un vistazo a este documento:

Chahine, GL "Nuclei Effects on Cavitation Inception and Noise", 25º Simposio sobre Hidrodinámica Naval, St. John's, NL, Canadá, del 8 al 13 de agosto de 2004. PDF aquí

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