Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Analiza el comportamiento del fenómeno de cavitación, basándose en los conceptos de la mecánica de fluidos, haciendo uso de la dinámica de fluidos computacional y utilizando la herramienta de simulación ANSYS CFX, tendremos una visión mucho más amplia del fenómeno. La metodología realizada en este estudio podrá ser tomada como una referencia para posteriores trabajos de optimización y diseño en turbinas Francis o implementaciones de estas en centrales hidroeléctricas. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / Alrededor de 20% de la energía del mundo es generada por turbinas hidroeléctricas. Como el mercado energético y la disponibilidad de los recursos hídricos son muy variables, las turbinas suelen funcionar con rangos de operación amplios. Sin embargo, estas son diseñadas sólo para un punto óptimo. La operación fuera de las condiciones de diseño puede causar perdida de eficiencia, cavitación o vibraciones excesivas, dañinas para la instalación. Los fenómenos antes mencionados son los que motivan este estudio: Generalmente el operador de una unidad hidroeléctrica ajusta el caudal para cumplir con los requerimientos de potencia impuestos por el ente regulador, dentro de lo que el recurso permite, manteniendo la velocidad de giro de la turbina constante para generar a 50Hz. Este tipo de control pasa por alto el deterioro que puede sufrir la unidad al operar en ciertos rangos de caudal o altura. El objetivo de este trabajo es detectar mediante análisis de vibraciones, la ocurrencia de eventos de cavitación o vibraciones excesivas que acortan el tiempo medio entre fallas de la unidad. Para lograrlo se estudió una instalación de laboratorio en múltiples condiciones de carga para obtener patrones. Luego, en base a estos se tomaran datos en una central hidroeléctrica y se evaluará su condición. El resultado final del trabajo es definir una forma de detectar incipientemente episodios de cavitación en la central, pudiendo evitar los regímenes de carga responsables de ellos y así prevenir la acumulación de daños o desgaste prematuro. El trabajo comprendió: pruebas en una turbina de laboratorio, cambiando carga, caudal y RPM de operación. Posteriormente, para aplicar este modelo se tomaron datos, siguiendo el mismo protocolo, en la Central Chiburgo del grupo Colbún. A partir de los datos de laboratorio se observa que, comparando medidas a distintas condiciones de operación, la cavitación es claramente identificable. No obstante, para establecer un patrón que permita determinar en base a una sola medida la condición del flujo, se requiere analizar diferentes variables y parámetros estadísticos como: Skewness, Kurtosis, aceleración global o crest-factor. El análisis de emisiones acústicas permite de igual manera -y directamente en tiempo real- detectar problemas. Los parámetros que permiten identificar cavitación son monitoreables en tiempo real y permiten realizar un diagnóstico por parte del operador. La Kurtosis resultó ser una herramienta potente ya que permite detectar la aparición de cavitación incipientemente, antes de que los otros parámetros la revelen. La variación de RPM permite mejorar una condición de cavitación cuando se trabaja con caudal cercano al mínimo técnico, y podría permitir generar de forma segura aunque no se alcancen las condiciones establecidas por el fabricante.

Se propone un modelo general de amortiguador hidráulico (monotubo y de doble tubo) para automóvil tipo turismo a partir de las propiedades físicas y geométricas de las partes que lo componen con el fin de predecir el comportamiento mecánico y térmico del amortiguador a partir de unas condiciones de operación conocidas.Como resultado de la simulación, se determina la fuerza de amortiguamiento, los perfiles de temperaturas de los componentes y un análisis energético, en el cual se analiza la energía requerida para hacer el ciclo de trabajo, la energía disipada por el amortiguador hacia el exterior y la energía acumulada.Asimismo, a título informativo se realiza un estudio de la necesidad del uso de los amortiguadores dentro del sistema de suspensión del vehículo junto con un sistema de optimización.La contrastación experimental se efectúa mediante una máquina de ensayo de amortiguadores la cual, mediante sensores de posición y de fuerza, permite obtener la fuerza de amortiguamiento en frente de la velocidad y/o posición para un ciclo sinusoidal puro. / A general model of hydraulic shock absorber (monotube and twin tube) for automobiles based on the geometrical and physical properties of its components is described in order to predict the mechanical and thermal behaviour from a known working condition.Simulation calculates the damping force and the temperature fields of the shock absorber components as well as makes an energy analysis from which the energy required to do the working cycles, the shock absorber dissipated energy to the environment and the accumulated energy into the shock absorber are predicted.Additionally, the necessity of using the shock absorbers as part of the automobile suspension system and the optimization method is presented.The experimental validation is done by using a shock absorber testing machine which permits to obtain actual shock absorber force versus position nd/or speed for a sinusoidal working cycle by using both, a position and force sensors.

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Hydraulic machines are faced with increasingly severe performance requirements. The need to design smaller and more powerful machines rotating at higher speeds in order to provide increasing efficiencies, has to face a major limitation: cavitation. A two-dimensional numerical approach, by means of Computational Fluid Dynamics (CFD), has been developed for studying the effect of cavitation in the volumetric efficiency of external gear pumps. Several cavitation models and grid deformation algorithms have been studied, and a method for simulating the contact between solid boundaries has been developed. The velocity field in the inlet chamber has also been experimentally measured by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TRPIV) and results have been compared to the numerical ones in order to validate the accuracy of the model. Our two-dimensional model is not able to predict the real volumetric efficiency of the pump, since several simplifications are involved in it. Nevertheless, this model shows to be valid to understand the complex flow patterns that take place inside the pump and to study the influence of cavitation on volumetric efficiency. The influence of the rotational speed of the pump has been analyzed, as well as the effect of the geometry of the inlet chamber, the working pressure, the inlet pressure loss factor, and the flow leakage through the radial clearances of the pump between gears and casing.

Aborda el estudio de uno de los principales problemas de funcionamiento que aquejan a las turbinas Francis: la cavitación, tanto en su forma cualitativa como cuantitativa. Busca encontrar el caudal de máxima eficiencia de la turbina usada en la Central Hidroeléctrica Cahua, ubicada al norte de Lima y verificar si esta central presenta problemas de cavitación durante su operación. Válida la simulación realizada con el simulador ANSYS 14.5 haciendo uso de material bibliográfico y referencias. El estudio de este fenómeno proporciona información para mejorar la eficiencia de una central hidroeléctrica, ya que obtendremos los puntos críticos de operación de las turbinas Francis. / Tesis

El objetivo del sistema de inyección en los motores Diesel es la formación de una mezcla aire-combustible de calidad, de manera que se logre una combustión eficiente a la vez que se minimicen las emisiones contaminantes. Dentro de los parámetros que controlan el proceso de inyección y la formación del chorro, el flujo de cantidad de movimiento se presenta como uno de los más importantes. Parámetros del chorro tan importantes como penetración, ángulo o aire englobado dependen en gran medida de él. Además, desde el punto de vista del flujo interno en la tobera de inyección, la medida de este parámetro aporta mucha más información que simplemente medir el flujo másico, ya que utilizando estas dos medidas, es posible obtener parámetros tan importantes como la velocidad de salida o la sección de paso efectiva. Sin embargo, pese a su demostrada utilidad, la medida del flujo de cantidad de movimiento ha sido muy poco utilizada hasta ahora, debido principalmente a las dificultades que entraña su medida. Los objetivos alcanzados en esta tesis son básicamente dos. Primero, el desarrollo y puesta en marcha de un sistema para la medida del flujo de cantidad de movimiento, el cual está basado en la medida de la fuerza de impacto del chorro. Y segundo y más importante, la utilización de esta medida en el estudio experimental de los procesos de inyección, donde se ha mostrado como una herramienta muy útil a la hora de entender los fenómenos involucrados en el proceso de inyección. Fruto de este trabajo, se deducen importantes conclusiones acerca de la influencia de la geometría de los orificios y el fenómeno de cavitación sobre la inyección. / Gimeno García, J. (2008). Desarrollo y aplicación de la medida del flujo de cantidad de movimiento de un chorro Diesel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8306

Durante el proceso de apertura y cierre de un inyector Diesel, las características del combustible a la salida de la tobera cambian significativamente como consecuencia del movimiento de la aguja. Este hecho tiene una enorme influencia en el desarrollo del chorro y en el proceso de mezcla entre el aire y el combustible y, por tanto, en el posterior proceso de combustión. Sin embargo, y a pesar de su importancia, todavía hoy existen multitud de cuestiones sobre el proceso de inyección que permanecen sin resolver debido, en parte, a la dificultad para llevar a cabo experimentos a levantamientos de aguja parciales. Teniendo en cuenta lo anterior, la presente tesis se ha centrado en el estudio de la influencia del levantamiento de aguja sobre el flujo interno en toberas de inyección Diesel. Este trabajo se ha llevado a cabo mediante simulaciones tridimensionales del flujo en condiciones cavitantes y no cavitantes, modelando la cavitación mediante un modelo de equilibrio homogéneo implementado en OpenFOAM. Antes de analizar en profundidad la influencia de la posición de la aguja, el código ha sido puesto a punto y validado con resultados experimentales en un orificio calibrado, una tobera monorificio y una tobera multiorificio en condiciones de levantamiento de aguja máximo. El modelo de cavitación ha mostrado una gran precisión en la predicción del gasto másico, el flujo de cantidad de movimiento, la velocidad, los coeficientes de flujo y la apariencia de la cavitación. Además, los resultados computacionales y experimentales obtenidos en la validación del código han servido para estudiar alguno de los fenómenos asociados a la cavitación, como el colapso de gasto másico o el aumento de velocidad y de turbulencia. Tras la validación del código, éste ha sido utilizado para analizar la influencia del levantamiento de aguja en una tobera microsaco real. Inicialmente, se ha llevado a cabo un estudio de más de 500 ejecuciones simulando diferentes levantamientos de aguja fijos mediante métodos RANS. En este estudio, centrado principalmente en las características del combustible a la salida de la tobera y en el desarrollo de la cavitación, se ha podido observar un cambio significativo en el aspecto de la cavitación en función de la posición de la aguja: para levantamientos grandes, el vapor se desarrolla a lo largo de la parte superior del orificio, mientras que para levantamientos pequeños, la cavitación aparece en el asiento de la aguja y en la parte inferior del orificio para contrapresiones relativamente bajas. Este hecho tiene una enorme influencia sobre los valores de gasto másico, de flujo de cantidad de movimiento y de velocidad efectiva, los cuales apenas varían para levantamientos de aguja mayores de 75 ¿m. Posteriormente, los efectos del levantamiento de aguja han sido estudiados aplicando métodos LES. El uso de Large Eddy Simulation ha proporcionado información de gran relevancia sobre el flujo interno, especialmente sobre el desarrollo de la turbulencia y su interacción con el fenómeno de la cavitación. Los resultados de este estudio han demostrado que la cavitación favorece el desarrollo de la turbulencia, provocando un cambio notable de los niveles de turbulencia y de la región más turbulenta de la tobera en función de la posición de la aguja. Además, los resultados han puesto en evidencia la existencia de una cierta interacción o interdependencia entre ambos fenómenos, puesto que la turbulencia tiene a su vez importantes efectos sobre la apariencia de la cavitación. Profundizando en el desarrollo de la turbulencia, se ha observado también un aumento significativo del número de vórtices presentes en el fluido y un descenso de su tamaño a medida que la aguja desciende. Finalmente, se ha analizado la influencia del levantamiento de aguja mediante malla móvil, reproduciendo así el movimiento real de la aguja durante todo el proceso de inyección. Este último estudio ha sido posible gracias a la modificación del código y ha sido utilizado a partir de condiciones de contorno proporcionadas por un modelo unidimensional del inyector creado en AMESim. Por una parte, se han comparado los resultados obtenidos mediante simulaciones estacionarias y transitorias, mostrando diferencias despreciables en el cálculo de las características del combustible en la salida de los orificios de la tobera. No obstante, se ha detectado un menor volumen de combustible en fase vapor en las simulaciones transitorias, especialmente para pequeños levantamientos de aguja. Por otra parte, se ha comparado la tasa de inyección experimental con la tasa obtenida en OpenFOAM y AMESim. Dicha comparación ha permitido demostrar el gran potencial de AMESim y el buen comportamiento de OpenFOAM para predecir la tasa de inyección. / Martínez López, J. (2013). Estudio computacional de la influencia del levantamiento de aguja sobre el flujo interno y el fenómeno de la cavitación en toberas de inyección diésel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29291

En el motor Diesel, uno de los temas que ha despertado gran interés en las últimas décadas es el sistema de inyección, debido a su influencia en los procesos de atomización y formación de la mezcla aire-combustible, los cuales repercuten directamente en las prestaciones y emisiones contaminantes del motor. Con el objetivo de disminuir la brecha científica en el conocimiento del comportamiento del flujo interno y del chorro a la salida del orificio se han llevado a cabo numerosos estudios, tanto teóricos como experimentales, así como de modelado fluidodinámico. Sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, así como su efecto sobre la atomización del combustible y el desarrollo del chorro en sus primeras etapas, muestra aún incertidumbres significativas, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo. En esta Tesis se diseña y pone a punto un sistema para la visualización del flujo interno y el chorro utilizando toberas transparentes. Con este diseño, y con la aplicación de una técnica de visualización de alta resolución espacial, es posible establecer de forma más directa la relación entre las características del flujo en el interior de los orificios y la formación del chorro en sus primeros milímetros. Además, el sistema de visualización permite trabajar con diferentes geometrías y secciones de orificio (planas o cilíndricas), lo cual posibilita caracterizar la influencia de la geometría tanto en el flujo interno como en el chorro. De esta manera, se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la geometría en la formación y desarrollo de la cavitación en el interior del orificio, así como su relación con el colapso del gasto másico. Para ello, se han utilizado diferentes geometrías de toberas planas transparentes con dimensiones cercanas a las reales. Como resultado de este estudio se ha podido observar que toberas con una sección de salida más grande son más propensas a cavitar; también se ha observado que toberas con mayor longitud de orificio necesitan de condiciones más criticas para cavitar y que el colapso del gasto másico se presenta en condiciones de supercavitación. Una vez estudiada la influencia de la geometría en el comportamiento del flujo interno, se analiza la influencia que tiene la aparición y desarrollo de la cavitación en el interior de los orificios sobre la atomización y características del chorro. Como resultado de este estudio se pueden apreciar los diferentes regímenes de atomización y se puede ver que la cavitación hace que aumente de forma significativa tanto el ángulo de apertura del chorro en los primeros milímetros como las irregularidades del contorno del mismo, favoreciendo el proceso de atomización. / Venegas Pereira, ÓH. (2014). Estudio del fenómeno de la cavitación en la inyección Diesel mediante la visualización del flujo interno en orificios transparentes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37375