Modelización numérica del flujo no estacionario en bombas centrífugasefectos dinámicos de la interacción entre rodete y voluta

Resumen

En este trabajo se muestra un estudio del comportamiento dinámico del flujo en bombas centrífugas. Más concretamente, se han realizado medidas experimentales y simulaciones numéricas orientadas a la investigación de la interacción dinámica entre el flujo saliente del rodete y el que se encuentra en la voluta. En el estudio experimental primeramente se han obtenido las características globales de funcionamiento de una bomba centrífuga con dos recortes del rodete. Después, mediante la utilización de transductores piezorresistivos y piezoeléctricos se han obtenido las distribuciones de presión en una posición radial en la voluta cercana a la salida del rodete y las fluctuaciones de presión en esa misma posición. Se ha estudiado la validez de los distintos resultados mediante el correspondiente análisis de incertidumbre. Las simulaciones numéricas se han llevado a cabo utilizando un programa basado en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes por medio de un algoritmo de volúmenes finitos, que define el flujo simultáneamente en rodete y voluta usando una técnica de mallado deslizante. La turbulencia se ha simulado por medio de un modelo k-e stándar y los efectos de la capa límite a través de una ley de pared logarítmica. Se han realizado simulaciones bidimensionales tanto estacionarias como no estacionarias y además se ha generado un modelo tridimensional. La comparación de los resultados indica una gran aproximación de las simulaciones numéricas a la definición de los distintos fenómenos globales del funcionamiento de una bomba centrífuga. En concreto, el modelo tridimensional muestra resultados muy próximos a los experimentos en lo que se refiere a altura de elevación y eficiencia de la bomba ensayada. El modelo bidimensional también aproxima satisfactoriamente dichas curvas a pesar de sus inherentes limitaciones. Se han obtenido las distribuciones de presión alrededor de la voluta para los dos rodetes tanto numérica como experimentalmente, así como las fluctuaciones de presión, estudiándose principalmente los resultados a la frecuencia de paso de álabe. Los modelos numéricos reflejan correctamente los fenómenos y tendencias observados, aunque no se adaptan a los valores cuantitativos medidos experimentalmente. A partir de los trabajos numérico y experimental realizados se ha llegado a una comprensión más clara sobre cómo es la interacción del flujo entre el rodete y la voluta. También se ha llegado a conclusiones interesantes sobre el efecto que tiene la separación entre el rodete y la lengüeta en los esfuerzos tanto estacionarios como no estacionarios. Finalmente, se plantean posibles ampliaciones del trabajo abordables según se vaya aumentando la potencia de cálculo así como desarrollando de nuevas metodologías de medida. Se prevé que en un futuro próximo las modelizaciones numéricas hayan llegado a un grado de madurez tal que se conviertan en una herramienta imprescindible tanto para el diseño como para el análisis del flujo en bombas centrífugas.