Simulación numérica de un flujo de agua a través de una válvula tipo mariposa de doble excentricidad

摘要

Las válvulas mariposa son componentes muy utilizados para el transporte de fluidos através de tuberías. Dentro de estas válvulas, destacan las válvulas mariposas de dobleexcentricidad por tener ciertas ventajas como por ejemplo la reducción del desgaste desu sellado en comparación con las válvulas mariposas clásicas. Sin embargo, su asimetría origina un comportamiento más crítico en cuanto a las características hidráulicas del flujo, como son: la pérdida de carga, la distorsión del perfil de velocidades y el riesgo a la cavitación. Como es usual utilizar estas válvulas para control on-off de flujos, se desean bajas pérdidas de carga en su posición totalmente abierta. Cuando estas válvulas se sitúan directamente en el ingreso de turbomáquinas, es importante conocer el grado de distorsión del perfil de velocidades que entra en la máquina ya que ésto modifica los ángulos de ataque del flujo con los álabes y con elloel punto de operación. Y si se opera con presiones bajas también se debe considerarel riesgo de cavitación en partes de la válvula donde se eleve localmente la velocidad.Son estas tres características las que se estudiarán en una válvula mariposa previamente diseñada en la PUCP, con el fin de mejorar la geometría original y conello su comportamiento hidráulico. Idealmente, se deben realizar ensayos experimentales para conocer el comportamiento hidráulico, pero estos métodos generalmente resultan muy costosos. Una alternativa utilizada hoy en día para la optimización de productos es el estudio computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) el cual tiene ciertas ventajas, ya que entrega la información de todos los puntos del dominio y permite realizar cambios en la geometría o en el flujo de forma rápida y menos costosa.En el presente trabajo se realiza el análisis CFD de una válvula mariposa de doble excentricidad con un diámetro nominal de 610mm, en posición completamente abierta con un caudal aproximado de agua de 1 m3/s a 10ºC lo que implica una velocidad media en la tubería de aproximadamente 3.5 m/s. Para ello se utilizó el programa ANSYS CFX 14.0 y se empleó el modelo de turbulencia SST. Luego, se realizó una modificación del diseño original para obtener un diseño alternativo el cual es incluso un2% más ligero. Lo más importante fue que se consiguió una reducción del 38.3% delcoeficiente de pérdidas del diseño original y se aumentó un 40.4% la resistencia a lacavitación del diseño original. Sin embargo, al igual que en el diseño original, el flujorecién comienza a recuperar la forma que tenía antes de ingresar a la válvula despuésde 14 diámetros nominales aguas abajo de la misma.