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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-05072021-155950
Document
Author
Full name
Túlio César Lourenço Xavier
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Ortiz, Jayme Pinto (President)
Dalfré Filho, José Gilberto
Martins, José Rodolfo Scarati
Title in Portuguese
Simulações tridimensionais e soluções econômicas para cavitação em válvulas dispersoras Hollow-Jet.
Keywords in Portuguese
Dinâmica dos fluidos computacional
Escoamento multifásico
Turbulência
Válvulas
Abstract in Portuguese
Morassi (2016) e Morassi e Ortiz (2016) estudaram a influência das dimensões da câmara de dissipação de uma planta de energia hidrelétrica na dispersão do escoamento por uma válvula Hollow-Jet e usaram como referência os dados resultantes dos estudos de modelo físico e protótipo de Falcon Dam. Seguindo ambos os trabalhos, o comportamento do fenômeno de cavitação nas válvulas Hollow-Jet foi analisado. Simulações numéricas 3D - CFD (Computational Fluid Dynamics) foram realizadas em regime transiente, considerando um escoamento multifásico homogêneo. O algoritmo PISO foi utilizado como método de solução das equações de Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) e o modelo de turbulência ?- e realizable foi adotado. Os pontos da faixa operativa de Morassi (2016) foram então analisados. Verificou-se que cavidades com mistura de vapor e líquido se formaram nas proximidades da ponta da válvula, com o seu posterior desprendimento. Essas cavidades foram acompanhadas pela geração de vórtices próximos à mesma região. Os parâmetros monitorados em pontos específicos confirmaram a ocorrência do fenômeno na ponta. As simulações realizadas foram validadas por meio da reprodução dos resultados de simulação de Wu et al. (2003) e da comparação com os resultados do experimento de Wang (1999). A cavitação na válvula Hollow-Jet pode, portanto, ser classificada como cavitação de vórtices. Esses vórtices são resultados dos altos gradientes de velocidades, principalmente na região de cisalhamento da parede da tubulação de descarga, sendo acompanhados pelo desprendimento de cavidades da ponta da válvula. Recondicionamento e revestimentos de proteção contra cavitação também foram descritos, a fim de propor uma solução econômica de reuso das válvulas nessa situação; evitando descartes e substituições.
Title in English
Three-dimensional simulations and economical solutions for cavitation in Hollow-Jet dispersive valves.
Keywords in English
CFD
Coating
Dispersive valves
Hollow-Jet
Multiphase flow
Turbulence
Abstract in English
Morassi (2016) and Morassi and Ortiz (2016) studied the influence of the dissipating chamber dimensions of hydroelectric power plant in dispersing hollow-jet valve flow and took as reference the data resulted from Falcon Dam physical model and prototype studies. Following both work, the behavior of the cavitation occurrence in Hollow-Jet valves was assessed. 3D numerical simulations - CFD (Computational Fluid Dynamics) were carried out in unsteady state, considering homogenous multiphase flow. PISO algorithm was used in order to solve the set of equations of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and the turbulence model ?- e realizable was adopted. The points of the operating range of Morassi (2016) were so analyzed. It was verified that cavities with mixture of vapor and liquid were formed near the needle tip, with a subsequent detachment. These cavities were followed by vortex generation near the same region. The parameters monitored in specific points confirmed the occurrence of the phenomenon at the tip. The simulations performed were validated by reproducing the simulation results of Wu et al. (2003) and by comparing the experiment results of Wang (1999). The cavitation in Hollow-Jet valves may, therefore, be classified as a vortex cavitation. These vortices are the result of high velocity gradients, especially in the shear region of the discharge pipe wall, and they are followed by the detachment of cavities from the valve tip. Refurbishment and protective coatings against cavitation were also described, in order to envisage an economical solution to reuse the valves in this situation, avoiding their disposal or replacement.
 
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Publishing Date
2021-07-05
 
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