“Estudio de la influencia de la geometría de
toberas planas transparentes en la formación
de cavitación mediante la visualización del
flujo interno”
Autor:
Víctor Martínez Abellán
Titulación:
Ingeniero Técnico Industrial.
Especialidad Mecánica
Director:
Jaime Gimeno García
Codirector:
Oscar Venegas Pereira
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
2 Proyecto final de carrera Julio 2013
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
3 Proyecto final de carrera Julio 2013
4
1. Introducción
Objetivos del proyecto
• Caracterización hidráulica y estudio de la influencia de la geometría en la
formación de cavitación.
• Visualización del flujo interno y de los primeros milímetros del chorro.
• Comparativa de la formación de cavitación a partir de la caracterización
hidráulica y los resultados de visualización.
• Análisis de la influencia de la cavitación sobre el comportamiento del chorro.
. Justificación
• Necesidad de obtener mas información acerca de la influencia que
tiene el fenómeno de la cavitación en el desarrollo del chorro diesel.
Proyecto final de carrera Julio 2013
5
1. Introducción
Cavitación: Fenómeno físico de cambio de fase, de líquido a vapor, provocado
por el descenso local de presión en una zona de recirculación.
Zona recirculación
FLUJO INTERNO
Proyecto final de carrera Julio 2013
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
6 Proyecto final de carrera Julio 2013
2. Instalación experimental
2.1. Maqueta de micro-visualización.
7 Proyecto final de carrera Julio 2013
Consta de 3 elementos principales:
•
•
•
2. Instalación experimental
8
• Láminas de hojalata (espesor 200 µm).
• Ventanas de visualización de
metacrilato.
• Orificio de descarga asimétrico.
Tobera
W
(μm)
re
(μm)
L
(mm)
A 232 0 1.42
B 256 150 1.42
C 254 0 2.14
D 118 0 1.42
E 834 0 1.42
F 447 0 1.42
Proyecto final de carrera Julio 2013
Tobera plana transparente
2. Instalación experimental
2.2. Carrito de inyección
9 Proyecto final de carrera Julio 2013
Caudal de inyección: 2.5 l/min
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
10 Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
11
• Se inyecta gasoil en gasoil (élite
plus).
• Inyección estacionaria
(continua).
• Presiones de inyección
(30, 50, 70 y 100 bar).
• Contrapresiones (1.5 a 35 bar).
• Balanza gravimétrica para medir
el gasto másico de combustible.
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
12
Colapso del flujo másico: criterio tradicional (Nurick) para definir el
comportamiento cavitante (Kcrítico).
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
Medidas de gasto másico
13
• Toberas con mayor W colapsan a condiciones de
presión menos críticas (mayor Kcrítico).
• Tobera (B) con radio de acuerdo muestran
menor tendencia a colapsar.
Piny = 100 bar
Tobera Kcrítico
A 1.39
B -
C 1.17
D 1.10
E 1.19
F 1.42
Proyecto final de carrera Julio 2013
Tobera A, D, E, F Distinto W Cavitar
> W +
Tobera A y B Distinto re Cavitar
> re -
Tobera A y C Distinta L Cavitar
> L -
Tendencia a cavitar
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
14 Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
15
Figura 12. Esquema de sincronización y captación de imágenes
3.2. Ensayos de visualización
• Inyectando en gasoil: observar la
cavitación en el interior del orificio.
• Inyectando en aire: visualizar los primeros
milímetros del chorro.
• Diferencias índice de refracción:
combustible líquido (1.483) y vapor/aire (1).
Visualización:
• Iluminación trasera difusa (Led).
• Tamaño ventana: 2.2 x 3 mm.
• Resolución: 465 pixel/mm.
• Tiempo de exposición: 300 ns.
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
16
Inyectando en combustible
• Se observa cavitación en el orificio y burbujas en el chorro.
• Nuevo criterio para detectar la aparición de cavitación: visualización de las
primeras burbujas de vapor dentro el orificio.
K incipiente
Proyecto final de carrera Julio 2013
Número de
cavitación incipiente:
condiciones de
contrapresión en las que
aparecen las primeras
burbujas.
3. Metodología y resultados
17
Inyectando en combustible
Proyecto final de carrera Julio 2013
Piny 100 bar
Tobera C Tobera F
Piny = 100 bar
Tobera Kcrítico Kincipiente
A 1.39 1.59
B - 1.08
C 1.17 1.46
D 1.10 1.23
E 1.19 1.49
F 1.42 1.85
• La cavitación incipiente ocurre antes de que el
flujo másico colapse, para condiciones menos
críticas (mayor K).
Comparativa
números de
cavitación
3. Metodología y resultados
18
Inyectando en combustible
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
19
Inyectando en aire
Proyecto final de carrera Julio 2013
Instalación experimental
Flujo de aire
3. Metodología y resultados
20
Regímenes de atomización observados
Inyectando en aire
• Se observan los primeros 3 milímetros del chorro.
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
21
Inyectando en aire
Mediante procesado de imágenes se obtiene el ángulo de apertura del
chorro. Muestra la influencia de la cavitación.
Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
22
Inyectando en aire
Proyecto final de carrera Julio 2013
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
23 Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
24
3.3. Influencia de la cavitación en el chorro
Cavitación + direccionalidad del flujo aumento del ángulo superior del chorro
Cavitación aumento del ángulo de apertura del chorro
Proyecto final de carrera Julio 2013
Índice
1. Introducción
2. Instalaciones experimentales
2.1. Maqueta de micro-visualización
2.2. Carrito de inyección
3. Metodología y resultados
3.1. Ensayo de permeabilidad
3.2. Ensayos de visualización
3.3. Influencia de la cavitación
4. Conclusiones
25 Proyecto final de carrera Julio 2013
3. Metodología y resultados
26
4. Conclusiones
• Se ha caracterizado el comportamiento hidráulico en
diferentes tobera planas transparentes. Detección del punto de
colapso del gasto másico, Kcrítico.
• La cavitación incipiente (Kincipiente) aparece antes del
colapso del gasto másico.
• El ángulo del chorro sufre un incremento significativo bajo
condiciones de cavitación.
• La presencia de cavitación y la direccionalidad del flujo tiene
influencia sobre el ángulo de apertura.
Proyecto final de carrera Julio 2013
“Estudio de la influencia de la geometría de toberas
planas transparentes en la formación de cavitación
mediante la visualización del flujo interno”
Autor:
Víctor Martínez Abellán
Director:
Jaime Gimeno García
Gracias por su atención
Anexo:
Diapositivas de apoyo
Anexo
29 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.1. Instalación experimental
Anexo
30 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.2. Carrito de inyección
• Inyectando
en régimen continuo.
• A través del
conducto de la tapa
superior.
• Diferente régimen
de giro motor (f).
• Caudal 2.5 veces
superior que el antiguo
carrito.
Anexo
31 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.3. Background
Grietas ventanas de visualización
• Deformaciones provocadas por los
esfuerzos flectores.
Anexo
32 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.4. Análisis datos permeabilidad
Correlaciones:
• Cd evalúa la capacidad de descarga
• A mayor W menor valor asintótico
del coeficiente de descarga (parámetro A)
Coeficiente descarga:
Anexo
33 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.4. Análisis datos permeabilidad
• Kincipiente para condiciones del
flujo menos turbulentas y mayor presión
de descarga.
Anexo
34 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.5. Análisis datos visualización
Procesado de imágenes:
Obtención del contorno para cada imagen y contorno promedio para cada CP.
Promedio Tobera F
Contorno Tobera C
Anexo
35 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.5. Análisis datos visualización
Distancia entre picos (S): Disminuye conforme aumenta la densidad y el ángulo
de apertura.
Anexo
36 Proyecto final de carrera Julio 2013
A.6. Imágenes ensayos de visualización
Tobera A