Simulación Numérica De Un Flujo Cavitante 2D No Isotérmico En Un Ducto Convergente Divergente

TRABAJO DE GRADO

SIMULACIÓN NUMÉRICA DE UN FLUJO CAVITANTE 2D NO
ISOTÉRMICO EN UN DUCTO CONVERGENTE DIVERGENTE

Presentado ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela
por el ingeniero mecánico
Johane H. Bracamonte B.
para optar al título de
Magister Scientiarum
en Ingeniería Mecánica
Tutor: Prof. Eugenio Sansone

Caracas, 2009

A mis padres
William e Isabel

iiAGRADECIMIENTOS

Quiero hacer público mi reconocimiento a las siguientes personas e instituciones por
haber hecho posible la realización de éste trabajo:

A la Universidad Central de Venezuela por brindar la oportunidad continuar mis
estudios al ofrecer el programa de Maestría en Ingeniería Mecánica.

A la Coordinación de Postgrado de la Escuela de Ingeniería Mecánica por
gestionar yproporcionar los recursos necesarios para el desarrollo de éste trabajo de
grado.

Al tutor de éste trabajo el Prof. Eugenio Sansone por proponer, establecer y definir
el trabajo desarrollado en éste proyecto, además de servir de constante apoyo durante
la realización del mismo.

A los Prof. Manuel Martinez y Arturo Gil quienes desde las Coordinaciones de
Postgrado de la Facultad de Ingeniería y dela Escuela de Ingeniería Mecánica
respectivamente, se mostraron siempre diligentes y atentos a las gestiones
administrativas asociadas a la realización de este trabajo de grado.

Al Prof. Francisco García por su importante colaboración al permitir tener acceso a
sus trabajos referentes a la estimación de propiedades de mezcla en flujos bifásicos.

Al Centro Internacional para los MétodosNuméricos en Ingeniería (International
Center for Numerical Methods in Engineering CIMNE) por permitir el uso de la
licencia académica del pre y post procesador GiD.

iii

Bracamonte B., Johane H.

SIMULACIÓN NUMÉRICA DE UN FLUJO CAVITANTE 2D NO
ISOTÉRMICO EN UN DUCTO CONVERGENTE DIVERGENTE
Tutor: Prof. Eugenio Sansone, Caracas, Universidad Central de Venezuela,
Escuela de IngenieríaMecánica. 2009 nº pag. 76
Palabras Claves: CAVITACIÓN, SIMULACIÓN NUMÉRICA, MODELO DE
MEZCLA HOMOGÉNEA.
En el presente trabajo se desarrolla un modelo para la simulación de cavitación en un
ducto convergente divergente utilizando el modelo de mezcla homogénea, que
consiste en simular el flujo bifásico como un único fluido de propiedades variables.
El modelo consiste en la solución simultáneade las ecuaciones de momentum,
continuidad, energía y una ecuación de estado, en donde las propiedades del fluido
son calculadas como un promedio ponderado entre el aporte de la fase líquida y la
fase vapor. La ecuación de estado y las propiedades de mezcla dependen de la
fracción volumétrica de vapor, la cual es calculada fuera del sistema de ecuaciones
antes descrito. El proceso de formaciónde vapor fue modelado como un proceso
isoentálpico y la propagación de dicha fase fue considerada al relacionar los
gradientes de densidad en función de la presión y con la velocidad del sonido en la
mezcla. El cálculo de las propiedades de cada una de las fases, así como el cálculo de
propiedades termodinámicas asociadas a la estimación de la fracción volumétrica,
fueron realizadosutilizando las ecuaciones propuestas por la Asociación
Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS) de reciente
publicación. El flujo cavitante a ser simulado se caracteriza por un alto número de
Reynolds, por lo que resultó necesario tomar en cuenta fenómenos de turbulencia que
fueron simulados con un Modelo de Grandes Vortices donde los esfuerzos de
Reynolds de subrejilla fuerontratados a través del modelo de viscosidad turbulenta
de Smagorinsky, modificado hacia las paredes del ducto. El modelo fue
implementado en un código para el cálculo de flujos monofásicos utilizando el
Método de Elementos Finitos en su formulación tradicional (Bubnov-Galerkin). El
modelo planteado presentó fuertes inestabilidades numéricas que impidieron la
obtención de resultados, sin...