Comprensión de la turbulencia del flujo
Definición: ¿Qué es la turbulencia del flujo?
turbulencia del flujo El flujo turbulento es un movimiento fluido caótico e irregular caracterizado por fluctuaciones aleatorias de velocidad, remolinos y vórtices en bombas, ventiladores, compresores y sistemas de tuberías. A diferencia del flujo laminar, donde las partículas del fluido se mueven en trayectorias paralelas ordenadas, el flujo turbulento presenta un movimiento tridimensional aleatorio con velocidad y presión que varían continuamente. En la maquinaria rotativa, la turbulencia crea fuerzas inestables en los impulsores y álabes, generando ondas de banda ancha. vibración, ruido, pérdidas de energía y contribución a la fatiga de los componentes.
Si bien cierta turbulencia es inevitable e incluso deseable en muchas aplicaciones (el flujo turbulento proporciona una mejor mezcla y transferencia de calor), la turbulencia excesiva causada por malas condiciones de entrada, un funcionamiento fuera de diseño o la separación del flujo genera problemas de vibración, reduce la eficiencia y acelera el desgaste mecánico en bombas y ventiladores.
Características del flujo turbulento
Transición del régimen de flujo
Transiciones de flujo de laminar a turbulento en función del número de Reynolds:
- Número de Reynolds (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
- Donde ρ = densidad, V = velocidad, D = dimensión característica, µ = viscosidad
- Flujo laminar: Re < 2300 (suave, ordenado)
- Transicional: Re 2300-4000
- Flujo turbulento: Re > 4000 (caótico, irregular)
- Maquinaria industrial: Casi siempre opera en régimen turbulento
Características de la turbulencia
- Fluctuaciones aleatorias de velocidad: La velocidad instantánea varía caóticamente en torno a la media.
- Remolinos y vórtices: Estructuras giratorias de varios tamaños
- Cascada de energía: Los grandes remolinos se descomponen en remolinos progresivamente más pequeños.
- Mezclando: Mezcla rápida de momento, calor y masa
- Disipación de energía: La fricción turbulenta convierte la energía cinética en calor.
Fuentes de turbulencia en la maquinaria
Perturbaciones en la entrada
- Mal diseño de entrada: Curvas pronunciadas, obstáculos, longitud recta insuficiente.
- Remolino: Prerrotación del fluido que entra en el impulsor/ventilador
- Velocidad no uniforme: Perfil de velocidad distorsionado respecto al ideal
- Efecto: Mayor intensidad de turbulencia, vibración elevada, rendimiento reducido
Separación de flujo
- Gradientes de presión adversos: El flujo se separa de las superficies.
- Funcionamiento fuera de diseño: Ángulos de flujo incorrectos que provocan separación en las palas
- Parar: Separación extensa en el lado de succión de la cuchilla
- Resultado: Intensidad de turbulencia muy alta, fuerzas caóticas
Regiones de Wake
- Estelas turbulentas aguas abajo de palas, puntales u obstrucciones
- Alta intensidad de turbulencia en la estela
- Los componentes aguas abajo experimentan fuerzas inestables
- La interacción entre la cuchilla y la estela es importante en las máquinas multietapa
Regiones de alta velocidad
- La intensidad de la turbulencia generalmente aumenta con la velocidad.
- Zonas de la punta del impulsor y zonas de alta turbulencia de las boquillas de descarga
- Crea fuerzas elevadas localizadas y desgaste
Efectos en la maquinaria
Generación de vibraciones
- Vibración de banda ancha: La turbulencia crea fuerzas aleatorias en un amplio rango de frecuencias.
- Espectro: Nivel de ruido elevado en lugar de picos discretos
- Amplitud: Aumenta con la intensidad de la turbulencia
- Rango de frecuencia: Normalmente, entre 10 y 500 Hz para la vibración inducida por turbulencia.
Generación de ruido
- La turbulencia es la fuente principal de ruido aerodinámico
- Sonido de banda ancha “zumbido” o “ráfaga”
- Nivel de ruido proporcional a la velocidad^6 (muy sensible a la velocidad)
- Puede ser una fuente de ruido dominante en ventiladores de alta velocidad.
Pérdidas de eficiencia
- La fricción turbulenta disipa energía
- Reduce el aumento de presión y el caudal
- Pérdidas típicas por turbulencia: 2-10% de potencia de entrada
- Aumenta con el funcionamiento fuera de diseño
Fatiga de los componentes
- Las fuerzas fluctuantes aleatorias crean tensión cíclica
- Ciclos de estrés de alta frecuencia
- Contribuye a la hoja y la estructura. fatiga
- Particularmente preocupante a altas velocidades
Erosión y desgaste
- La turbulencia aumenta la erosión en servicios abrasivos.
- Las partículas suspendidas por la turbulencia impactan las superficies
- Desgaste acelerado en regiones de alta turbulencia
Detección y diagnóstico
Indicadores del espectro de vibración
- Banda ancha elevada: Alto nivel de ruido en todo el espectro
- Falta de picos discretos: A diferencia de las fallas mecánicas con frecuencias específicas
- Dependiente del flujo: El nivel de banda ancha varía con el caudal.
- Mínimo en BEP: Mínima turbulencia en el punto de diseño
Análisis acústico
- mediciones del nivel de presión sonora
- El aumento del ruido de banda ancha indica turbulencia
- Espectro acústico similar al espectro de vibración
- Los micrófonos direccionales pueden localizar fuentes de turbulencia
Visualización de flujo
- Dinámica de fluidos computacional (CFD) durante el diseño
- Serpentinas de flujo o visualización de humo en pruebas
- Mediciones de presión que muestran fluctuaciones
- Velocimetría por imágenes de partículas (PIV) en investigación
Estrategias de mitigación
Mejoras en el diseño de la entrada
- Proporcione una longitud adecuada de tubería recta aguas arriba (mínimo de 5 a 10 diámetros).
- Eliminar las curvas cerradas inmediatamente antes de la entrada.
- Utilice enderezadores de flujo o paletas de giro
- Las entradas acampanadas o aerodinámicas reducen la generación de turbulencias.
Optimización del punto de operación
- Operar cerca del punto de máxima eficiencia (BEP).
- Los ángulos de flujo coinciden con los ángulos de las palas, minimizando la separación.
- Generación mínima de turbulencia
- Control de velocidad variable para mantener el punto óptimo
Modificaciones de diseño
- Transiciones suaves en los pasajes de flujo (sin esquinas afiladas)
- Difusores para desacelerar gradualmente el flujo
- Supresores de vórtice o dispositivos antirremolino
- Revestimiento acústico para absorber el ruido generado por la turbulencia
Turbulencia vs. otros fenómenos de flujo
Turbulencia vs. Cavitación
- Turbulencia: Banda ancha, continua, dependiente del flujo
- Cavitación: Impulsivo, de mayor frecuencia, dependiente de NPSH
- Ambos: Pueden coexistir, ambos crean vibración de banda ancha
Turbulencia frente a recirculación
- Turbulencia: Aleatorio, de banda ancha, presente en todos los flujos
- Recirculación: Inestabilidad organizada, pulsaciones de baja frecuencia, solo con flujo bajo
- Relación: Las zonas de recirculación son altamente turbulentas.
La turbulencia es una característica inherente al flujo de fluidos a alta velocidad en maquinaria rotativa. Si bien es inevitable, su intensidad y efectos pueden minimizarse mediante un diseño adecuado de la entrada, el funcionamiento cerca del punto de diseño y la optimización del flujo. Comprender la turbulencia como la fuente de vibraciones y ruido de banda ancha permite distinguirla de fallas mecánicas de frecuencia discreta y orienta las acciones correctivas apropiadas, centradas en las condiciones del flujo en lugar de en las reparaciones mecánicas.
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