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A Simulação CFD do Fluxo de Cavitação dentro de um Venturi


 
 

1. Introdução

Os operadores de usinas nucleares realizam testes em serviço (IST) para verificar as funções de segurança das bombas e válvulas relacionadas à segurança, além de monitorar o grau de vulnerabilidade ao longo do tempo durante a operação do reator. Um dos sistemas relacionados ao IST é o sistema de alimentação de água auxiliar. Em cada linha comum de alimentação de água auxiliar em direção a cada gerador de vapor, é instalado um Venturi cavitante.

A função principal desse componente é limitar a taxa de fluxo máxima da água auxiliar para o gerador de vapor. O Venturi cavitante desempenha um papel crucial ao prevenir a cavitação causada pela parada da bomba, além de minimizar outros efeitos adversos resultantes do fornecimento de fluxos excessivos de água auxiliar. A rápida aceleração do fluxo, juntamente com a queda de pressão associada, pode induzir a cavitação nas proximidades da garganta reta e da seção de difusão do Venturi, o que, por sua vez, poderia resultar em degradação e danos estruturais.

2. Descrição da análise

Neste estudo, a simulação CFD para analisar o fluxo de cavitação dentro de um venturi cavitante foi realizada utilizando o software FLOW-3D. A figura 1 ilustra um diagrama da geometria. As especificações geométricas para o caso de análise foram resumidas na mesma figura.
Diagrama esquemático dos tubos de Venturi utilizados nas simulações

3. Condições de contorno

O fluxo dentro de um Venturi cavitante foi considerado incompressível e turbulento. O número total de células na malha foi aproximadamente 5.3 milhão. A condição de entrada foi definida como uma pressão constante na faixa entre 200 kPa e 400 kPa. Um modelo empírico ativo e passivo de cavitação foi empregado, e a pressão de cavitação foi fixada em 2.338 Pa. A pressão estática de 101.325 Pa foi especificada como condição de contorno na saída.

4. Resultados e discussão

Conforme o fluido percorre o venturi, ocorre uma redução na área de seção transversal, resultando em um aumento na velocidade do fluido, de acordo com o princípio da conservação de massa. A distribuição de velocidade pode ser calculada em diferentes pontos utilizando a equação de conservação de massa. Tipicamente, a velocidade atinge seu ponto máximo na constrição (garganta) do venturi, onde a área de seção transversal é menor. A velocidade gradualmente diminui à medida que o fluido se afasta da constrição.
Esta figura mostra a variação da pressão dentro do domínio. Simulações de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) podem fornecer insights sobre a distribuição de pressão ao longo do venturi, auxiliando na identificação de áreas onde a pressão sofre quedas significativas. A cavitação é mais provável de ocorrer em regiões com baixa pressão.
O potencial de cavitação em um venturi é condicionado por diversos fatores inerentes à dinâmica dos fluidos e às flutuações de pressão dentro do dispositivo. A cavitação, caracterizada pela formação e subsequente colapso de bolhas de vapor em um líquido devido a variações de pressão, é influenciada por elementos como a queda de pressão, velocidade do fluido, propriedades do líquido, design do venturi e condições de entrada. Em última análise, o potencial de cavitação em um venturi é uma interação complexa desses fatores. Engenheiros normalmente recorrem a simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) e testes experimentais para identificar regiões de risco elevado, permitindo ajustes no design a fim de minimizar ou prevenir problemas relacionados à cavitação em aplicações práticas.
A fração de volume de gás na cavitação refere-se à proporção do volume ocupado por bolhas de vapor (gás) dentro de um fluido que está cavitação. A cavitação ocorre quando a pressão de um líquido diminui abaixo de sua pressão de vapor, provocando a formação de bolhas de vapor. A fração de volume de gás é uma medida de quanto do volume total da região cavada é ocupado por essas bolhas de vapor. Compreender a fração de volume de gás é crucial para avaliar o impacto potencial da cavitação em equipamentos e sistemas. A cavitação excessiva pode levar à erosão de materiais, ruído e redução da eficiência em sistemas hidráulicos, bombas e outros dispositivos de manipulação de fluidos.

 

Referências

1. Lee, G. H., & Bae, J. H. (2020, July). CFD simulation of cavitation flow inside a cavitating
venturi using ANSYS CFX. In Transactions of the Korean Nuclear Society Spring
Meeting.
2. Shi, H., Li, M., Nikrityuk, P., & Liu, Q. (2019). Experimental and numerical study of
cavitation flows in venturi tubes: From CFD to an empirical model. Chemical
Engineering Science, 207, 672-687.
 

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