Multyphase fluid hammermodeling, experiments and simulations

Resumen

Esta tesis presenta un estudio experimental y numérico del fenómeno de golpe de ariete generado por la descarga de un líquido presurizado en una conducción bajo condiciones de vacío. Esta configuración de ujo induce varios fenómenos multifásicos, tales como cavitación y desorción de gases no condensables, que no pueden ser ignorados en el análisis del problema. La motivación de este trabajo de investigación tiene su origen en los sistemas de propulsión con combustibles líquidos utilizados en aplicaciones aeroespaciales, donde el fenómeno de golpe de ariete y el incremento de presión ocasionado puede afectar la integridad del sistema. El golpe de ariete es particularmente adverso durante la fase de cebado, donde la apertura rápida de una válvula de aislamiento permite el llenado de las líneas de combustible, las cuales se encuentran inicialmente al vacío. Debido a esto, junto al fenómeno de golpe de ariete también tiene lugar la cavitación del uido y la desorción de un gas no condensable, los cuales afectan a los incrementos de presión que se producen en las líneas. A pesar de que todos estos fenómenos han sido ampliamente tratados en la literatura científica, existen muy pocos estudios que traten la configuración de ujo descrita y que aborden todos los fenómenos multifásicos ocasionados de forma simultánea. Es por ello que la creación de una extensa base de datos, con las condiciones experimentales bien definidas, es una necesidad para validar y mejorar los modelos físicos implementados en los códigos numéricos, los cuales se utilizan para evaluar el comportamiento de los sistemas de propulsión durante la fase de diseño. Para tal fin, se ha diseñado una instalación experimental que reproduce un sistema de propulsión, de forma que todos los fenómenos físicos que tienen lugar durante el cebado del combustible se generan en el laboratorio bajo condiciones controladas. El estudio experimental llevado a cabo ha permitido analizar el efecto de diversos parámetros de trabajo en el comportamiento del golpe de ariete, tales como la presión inicial de vacío en la línea, saturación del líquido con el gas presurizante, propiedades del líquido y configuración de la conducción. Los resultados muestran como la desorción del gas no condensable afecta de forma significativa el comportamiento del uido durante el golpe de ariete, debido al incremento de compresibilidad y la reducción de la velocidad del frente de onda al aumentar la presencia de gas en la mezcla bifásica. Esto se traduce en menores incrementos de presión y atenuación más rápida de los picos de presión, en comparaci ón con el mismo uido bajo condiciones donde la desorción no tiene lugar. La visualización del ujo allí donde se genera el golpe de ariete ha permitido caracterizar el comportamiento bifásico del uido. El avance del frente líquido en la línea está precedido por una mezcla multifásica de líquido, vapor y gas no condensable, y las ondas de expansión pueden inducir la separación de la columna líquida en el extremo cerrado de la conducción donde impacta el uido. Siempre que la separación de columna tenga lugar, los sucesivos picos de presión se generan por el impacto de la columna líquida contra el extremo cerrado de la línea tras la separación. La base de datos experimental resultante se ha comparado con las predicciones del código numérico 1D EcosimPro/ESPSS simulando la configuración experimental. La comparación de los resultados numéricos con los datos experimentales muestran que es necesario reformular el cálculo de la velocidad del frente de onda cuando existe una fase gaseosa disuelta en el volumen líquido. Además, es preciso incluir en el código un modelo de fricción no estacionario que mejore las predicciones del modelo de fricción quasi-estacionario utilizado actualmente.