La cavitación en mecánica de fluidos e ingeniería normalmente se refiere al fenómeno en el que la presión estática de un líquido se reduce por debajo de la presión de vapor del líquido , lo que lleva a la formación de pequeñas cavidades llenas de vapor en el líquido. [1] Cuando se someten a una presión más alta, estas cavidades, llamadas "burbujas" o "vacíos", colapsan y pueden generar ondas de choque que pueden dañar la maquinaria. Estas ondas de choque son fuertes cuando están muy cerca de la burbuja implosionada, pero se debilitan rápidamente a medida que se propagan lejos de la implosión. La cavitación es una causa importante de desgaste en algunos contextos de ingeniería . Los vacíos que colapsan que implosionan cerca de una superficie metálica causan estrés cíclico a través de implosiones repetidas. Esto da como resultado la fatiga de la superficie del metal, lo que causa un tipo de desgaste también llamado "cavitación". Los ejemplos más comunes de este tipo de desgaste son los impulsores de las bombas y las curvas donde ocurre un cambio repentino en la dirección del líquido. La cavitación generalmente se divide en dos clases de comportamiento: cavitación inercial (o transitoria) y cavitación no inercial.
El proceso en el que un vacío o burbuja en un líquido colapsa rápidamente, produciendo una onda de choque , se llama cavitación inercial. La cavitación inercial ocurre en la naturaleza en los golpes de los camarones mantis y los camarones pistola , así como en los tejidos vasculares de las plantas. En los objetos manufacturados, puede ocurrir en válvulas de control , bombas , hélices e impulsores . [2] [3]
La cavitación no inercial es el proceso en el que una burbuja en un fluido se ve obligada a oscilar en tamaño o forma debido a algún tipo de entrada de energía, como un campo acústico . El gas en la burbuja puede contener una porción de un gas diferente a la fase de vapor del líquido. Dicha cavitación se emplea a menudo en baños de limpieza ultrasónica y también se puede observar en bombas, hélices, etc.
Dado que las ondas de choque formadas por el colapso de los huecos son lo suficientemente fuertes como para causar daños significativos a las piezas, la cavitación es típicamente un fenómeno indeseable en la maquinaria (aunque deseable si se usa intencionalmente, por ejemplo, para esterilizar instrumentos quirúrgicos contaminados, descomponer contaminantes en sistemas de purificación de agua, emulsionar tejido para cirugía de cataratas o litotricia para cálculos renales , u homogeneizar fluidos). Muy a menudo se previene específicamente en el diseño de máquinas como turbinas o hélices, y la eliminación de la cavitación es un campo importante en el estudio de la dinámica de fluidos . Sin embargo, a veces es útil y no causa daños cuando las burbujas colapsan lejos de la maquinaria, como en la supercavitación .
La cavitación inercial se observó por primera vez a finales del siglo XIX, cuando se consideró el colapso de un vacío esférico dentro de un líquido. Cuando un volumen de líquido se somete a una presión suficientemente baja , puede romperse y formar una cavidad. Este fenómeno se denomina inicio de cavitación y puede ocurrir detrás de la pala de una hélice que gira rápidamente o en cualquier superficie que vibre en el líquido con suficiente amplitud y aceleración. Un río de corriente rápida puede causar cavitación en superficies rocosas, en particular cuando hay un desnivel, como en una cascada. [ cita requerida ]
Los gases de vapor se evaporan en la cavidad desde el medio circundante; por lo tanto, la cavidad no es un vacío en absoluto, sino más bien una burbuja de vapor (gas) de baja presión. Una vez que las condiciones que causaron la formación de la burbuja ya no están presentes, como cuando la burbuja se mueve corriente abajo, el líquido circundante comienza a implosionar debido a su mayor presión, acumulando impulso a medida que se mueve hacia adentro. Cuando la burbuja finalmente colapsa, el impulso hacia adentro del líquido circundante provoca un aumento brusco de la presión y la temperatura del vapor en su interior. La burbuja finalmente colapsa a una fracción diminuta de su tamaño original, momento en el que el gas en su interior se disipa en el líquido circundante a través de un mecanismo bastante violento que libera una cantidad significativa de energía en forma de onda de choque acústica y como luz visible . En el punto de colapso total, la temperatura del vapor dentro de la burbuja puede ser de varios miles de Kelvin y la presión de varios cientos de atmósferas. [4]
El proceso físico de inicio de la cavitación es similar a la ebullición . La principal diferencia entre ambos son las trayectorias termodinámicas que preceden a la formación del vapor. La ebullición se produce cuando la temperatura local del líquido alcanza la temperatura de saturación y se suministra más calor para permitir que el líquido cambie de fase lo suficiente a gas. El inicio de la cavitación se produce cuando la presión local cae lo suficientemente por debajo de la presión de vapor saturado, un valor dado por la resistencia a la tracción del líquido a una determinada temperatura. [5]
Para que se produzca la cavitación, las "burbujas" de cavitación generalmente necesitan una superficie en la que puedan nuclearse . Esta superficie puede estar formada por los lados de un recipiente, por impurezas en el líquido o por pequeñas microburbujas no disueltas dentro del líquido. Se acepta generalmente que las superficies hidrófobas estabilizan las burbujas pequeñas. Estas burbujas preexistentes comienzan a crecer sin límites cuando se exponen a una presión inferior a la presión umbral, denominada umbral de Blake. [6] La presencia de un núcleo incompresible dentro de un núcleo de cavitación reduce sustancialmente el umbral de cavitación por debajo del umbral de Blake. [7]
La presión de vapor aquí difiere de la definición meteorológica de presión de vapor, que describe la presión parcial del agua en la atmósfera en un valor inferior al 100% de saturación. La presión de vapor en relación con la cavitación se refiere a la presión de vapor en condiciones de equilibrio y, por lo tanto, se puede definir con mayor precisión como la presión de vapor de equilibrio (o saturada) .
La cavitación no inercial es el proceso en el que pequeñas burbujas en un líquido se ven obligadas a oscilar en presencia de un campo acústico, cuando la intensidad del campo acústico es insuficiente para provocar el colapso total de la burbuja. Esta forma de cavitación provoca una erosión significativamente menor que la cavitación inercial y se utiliza a menudo para la limpieza de materiales delicados, como obleas de silicio .
Otras formas de generar huecos de cavitación implican la deposición local de energía, como un pulso láser intenso y enfocado (cavitación óptica) o con una descarga eléctrica a través de una chispa. Estas técnicas se han utilizado para estudiar la evolución de la burbuja que se crea realmente al hervir localmente el líquido con un incremento local de la temperatura.
La cavitación hidrodinámica es el proceso de vaporización, generación de burbujas e implosión de burbujas que se produce en un líquido que fluye como resultado de una disminución y un aumento posterior de la presión local. La cavitación solo se producirá si la presión local disminuye hasta un punto por debajo de la presión de vapor saturado del líquido y la recuperación posterior por encima de la presión de vapor. Si la presión de recuperación no es superior a la presión de vapor, se dice que se ha producido una evaporación instantánea. En los sistemas de tuberías, la cavitación suele producirse como resultado de un aumento de la energía cinética (a través de una constricción de área) o de un aumento de la elevación de la tubería.
La cavitación hidrodinámica se puede producir al pasar un líquido a través de un canal estrecho a una velocidad de flujo específica o mediante la rotación mecánica de un objeto a través de un líquido. En el caso del canal estrecho y en función de la geometría específica (o única) del sistema, la combinación de presión y energía cinética puede crear la caverna de cavitación hidrodinámica aguas abajo de la constricción local, generando burbujas de cavitación de alta energía.
Según el diagrama de cambio de fase termodinámico, un aumento de la temperatura podría iniciar un mecanismo de cambio de fase conocido como ebullición. Sin embargo, una disminución de la presión estática también podría ayudar a pasar el diagrama multifásico e iniciar otro mecanismo de cambio de fase conocido como cavitación. Por otro lado, un aumento local de la velocidad del flujo podría provocar una caída de la presión estática hasta el punto crítico en el que podría iniciarse la cavitación (según el principio de Bernoulli). El punto de presión crítico es la presión de saturación de vapor. En un sistema fluídico cerrado en el que no se detecta ninguna fuga de flujo, una disminución del área de la sección transversal provocaría un aumento de la velocidad y, por lo tanto, una caída de la presión estática. Este es el principio de funcionamiento de muchos reactores basados en cavitación hidrodinámica para diferentes aplicaciones, como el tratamiento del agua, la recolección de energía, la mejora de la transferencia de calor, el procesamiento de alimentos, etc. [8]
Existen diferentes patrones de flujo detectados a medida que progresa un flujo de cavitación: inicio, flujo desarrollado, supercavitación y flujo estrangulado. El inicio es el primer momento en que aparece la segunda fase (fase gaseosa) en el sistema. Este es el flujo de cavitación más débil capturado en un sistema correspondiente al número de cavitación más alto . Cuando las cavidades crecen y se vuelven más grandes en el orificio o las estructuras venturi, se registra el flujo desarrollado. El flujo de cavitación más intenso se conoce como supercavitación donde teóricamente toda el área de la boquilla de un orificio está llena de burbujas de gas. Este régimen de flujo corresponde al número de cavitación más bajo en un sistema. Después de la supercavitación, el sistema no es capaz de pasar más flujo. Por lo tanto, la velocidad no cambia mientras aumenta la presión aguas arriba. Esto conduciría a un aumento en el número de cavitación que muestra que se produjo un flujo estrangulado. [9]
El proceso de generación de burbujas y el posterior crecimiento y colapso de las burbujas de cavitación da como resultado densidades de energía muy altas y temperaturas y presiones locales muy altas en la superficie de las burbujas durante un tiempo muy corto. Por lo tanto, el entorno general del medio líquido permanece en condiciones ambientales. Cuando no se controla, la cavitación es dañina; sin embargo, al controlar el flujo de la cavitación, se puede aprovechar la potencia y no es destructiva. La cavitación controlada se puede utilizar para mejorar las reacciones químicas o propagar ciertas reacciones inesperadas porque se generan radicales libres en el proceso debido a la disociación de los vapores atrapados en las burbujas que cavitan. [10]
Se ha informado que los orificios y los tubos Venturi se utilizan ampliamente para generar cavitación. Un tubo Venturi tiene una ventaja inherente sobre un orificio debido a sus secciones convergentes y divergentes suaves, de modo que puede generar una mayor velocidad de flujo en la garganta para una caída de presión dada a través de ella. Por otro lado, un orificio tiene la ventaja de que puede acomodar una mayor cantidad de orificios (perímetro de orificios más grande) en un área de sección transversal dada de la tubería. [11]
El fenómeno de la cavitación se puede controlar para mejorar el rendimiento de los buques y proyectiles marinos de alta velocidad, así como en tecnologías de procesamiento de materiales, en medicina, etc. El control de los flujos cavitantes en líquidos solo se puede lograr avanzando en la base matemática de los procesos de cavitación. Estos procesos se manifiestan de diferentes formas, siendo las más comunes y prometedoras para el control la cavitación de burbujas y la supercavitación. La primera solución clásica exacta quizás deba atribuirse a la conocida solución de Hermann von Helmholtz en 1868. [12] Los primeros estudios distinguidos de tipo académico sobre la teoría de un flujo cavitante con límites libres y supercavitación se publicaron en el libro Jets, wakes and cavities [13] seguido de Theory of jets of ideal fluid [14] Ampliamente utilizada en estos libros fue la teoría bien desarrollada de las asignaciones conformes de funciones de una variable compleja, que permite derivar una gran cantidad de soluciones exactas de problemas planos. Otra vía que combina las soluciones exactas existentes con modelos aproximados y heurísticos fue explorada en el trabajo Hidrodinámica de Flujos con Límites Libres [15] que refinó las técnicas de cálculo aplicadas basadas en el principio de independencia de expansión de cavidades, teoría de pulsaciones y estabilidad de cavidades axisimétricas alargadas, etc. [16] y en Métodos de dimensionalidad y similitud en los problemas de la hidromecánica de vasos . [17]
Una continuación natural de estos estudios fue presentada recientemente en The Hydrodynamics of Cavitating Flows [18] – una obra enciclopédica que abarca todos los mejores avances en este campo durante las últimas tres décadas, y que combina los métodos clásicos de investigación matemática con las capacidades modernas de las tecnologías informáticas. Estos incluyen la elaboración de métodos numéricos no lineales para resolver problemas de cavitación 3D, el refinamiento de las teorías lineales planas conocidas, el desarrollo de teorías asintóticas de flujos axisimétricos y casi axisimétricos, etc. En comparación con los enfoques clásicos, la nueva tendencia se caracteriza por la expansión de la teoría a los flujos 3D. También refleja una cierta correlación con los trabajos actuales de carácter aplicado sobre la hidrodinámica de cuerpos supercavitantes.
La cavitación hidrodinámica también puede mejorar algunos procesos industriales. Por ejemplo, el purín de maíz cavitado muestra mayores rendimientos en la producción de etanol en comparación con el purín de maíz no cavitado en las instalaciones de molienda en seco. [19]
Esto también se utiliza en la mineralización de compuestos biorrefractarios que de otro modo necesitarían condiciones de temperatura y presión extremadamente altas, ya que se generan radicales libres en el proceso debido a la disociación de los vapores atrapados en las burbujas cavitantes, lo que resulta en la intensificación de la reacción química o incluso puede resultar en la propagación de ciertas reacciones que no serían posibles en otras condiciones ambientales. [20]
La cavitación inercial también puede producirse en presencia de un campo acústico. Las burbujas de gas microscópicas que suelen estar presentes en un líquido se verán obligadas a oscilar debido a un campo acústico aplicado. Si la intensidad acústica es lo suficientemente alta, las burbujas primero aumentarán de tamaño y luego colapsarán rápidamente. Por lo tanto, la cavitación inercial puede producirse incluso si la rarefacción en el líquido es insuficiente para que se produzca un vacío de tipo Rayleigh.
El inicio de la cavitación ultrasónica se producirá cuando la aceleración de la fuente de ultrasonidos sea suficiente para producir la caída de presión necesaria. Esta caída de presión depende del valor de la aceleración y del tamaño del volumen afectado por la onda de presión. El número adimensional que predice la cavitación ultrasónica es el número de Garcia-Atance . Las bocinas ultrasónicas de alta potencia producen aceleraciones lo suficientemente altas como para crear una región de cavitación que se puede utilizar para homogeneización , dispersión , desaglomeración, erosión, limpieza, molienda, emulsificación , extracción, desintegración y sonoquímica .
Aunque predomina en líquidos, la cavitación existe en cierta medida en el gas, ya que tiene dinámica de fluidos a altas velocidades. [21] [22] Por ejemplo, una bala con una punta plana se mueve más rápido bajo el agua, ya que crea cavitación en comparación con una bala con una punta afilada. Una forma ideal para la cavitación aerodinámica es una duna. Tiene una forma tal que proporciona una resistencia mínima al viento. Una superficie con pequeñas dunas instaladas en aviones y varios vehículos de alta velocidad, la fricción total contra el aire disminuirá varias veces. La superficie de la duna empuja el aire hacia arriba, por debajo y por detrás del aire, lo que reduce la fricción. La duna puede aumentar la resistencia frontal, pero se compensará con una disminución del área de fricción total, como ocurre en una bala submarina. Como resultado, la velocidad de la aeronave o el vehículo aumentará significativamente. [23]
En la industria, la cavitación se utiliza a menudo para homogeneizar , o mezclar y descomponer, partículas suspendidas en un compuesto líquido coloidal como mezclas de pintura o leche. Muchas máquinas mezcladoras industriales se basan en este principio de diseño. Por lo general, se logra mediante el diseño de un impulsor o forzando la mezcla a pasar a través de una abertura anular que tiene un orificio de entrada estrecho con un orificio de salida mucho más grande. En este último caso, la disminución drástica de la presión a medida que el líquido se acelera hasta alcanzar un volumen mayor induce la cavitación. Este método se puede controlar con dispositivos hidráulicos que controlan el tamaño del orificio de entrada, lo que permite un ajuste dinámico durante el proceso o la modificación para diferentes sustancias. La superficie de este tipo de válvula mezcladora, contra la que se impulsan las burbujas de cavitación provocando su implosión, sufre una enorme tensión mecánica y térmica localizada; por lo tanto, a menudo se construyen con materiales extremadamente fuertes y duros, como acero inoxidable , estelita o incluso diamante policristalino (PCD).
También se han diseñado dispositivos de purificación de agua por cavitación , en los que las condiciones extremas de cavitación pueden descomponer contaminantes y moléculas orgánicas. El análisis espectral de la luz emitida en reacciones sonoquímicas revela mecanismos químicos y basados en plasma de transferencia de energía. La luz emitida por las burbujas de cavitación se denomina sonoluminiscencia .
El uso de esta tecnología se ha probado con éxito en el refinado alcalino de aceites vegetales. [24]
Los productos químicos hidrófobos son atraídos bajo el agua por la cavitación, ya que la diferencia de presión entre las burbujas y el agua líquida las obliga a unirse. Este efecto puede ayudar al plegamiento de proteínas . [25]
La cavitación juega un papel importante para la destrucción de cálculos renales en la litotricia por ondas de choque . [26] Actualmente, se están realizando pruebas para determinar si la cavitación se puede utilizar para transferir moléculas grandes a las células biológicas ( sonoporación ). La cavitación con nitrógeno es un método utilizado en la investigación para lisar las membranas celulares dejando intactos los orgánulos.
La cavitación desempeña un papel clave en el fraccionamiento no térmico y no invasivo de tejido para el tratamiento de una variedad de enfermedades [27] y puede utilizarse para abrir la barrera hematoencefálica y aumentar la absorción de fármacos neurológicos en el cerebro. [28]
La cavitación también juega un papel en HIFU , una metodología de tratamiento térmico no invasivo para el cáncer . [29]
En las heridas causadas por impactos de alta velocidad (como por ejemplo las heridas de bala) también hay efectos debidos a la cavitación. Los mecanismos exactos de la herida aún no se comprenden por completo, ya que existe cavitación temporal y cavitación permanente junto con aplastamiento, desgarro y estiramiento. Además, la alta variación en la densidad dentro del cuerpo hace que sea difícil determinar sus efectos. [30]
A veces se utiliza el ultrasonido para aumentar la formación ósea, por ejemplo en aplicaciones posquirúrgicas. [31]
Se ha sugerido que el sonido de los nudillos al “crujir” se deriva del colapso de la cavitación en el líquido sinovial dentro de la articulación. [32]
La cavitación también puede formar micronanoburbujas de ozono que resultan prometedoras en aplicaciones dentales. [33]
En aplicaciones de limpieza industrial, la cavitación tiene potencia suficiente para superar las fuerzas de adhesión de las partículas al sustrato, aflojando los contaminantes. La presión umbral necesaria para iniciar la cavitación es una función importante del ancho del pulso y de la potencia de entrada. Este método funciona generando cavitación acústica en el fluido de limpieza, recogiendo y alejando las partículas contaminantes con la esperanza de que no vuelvan a adherirse al material que se está limpiando (lo que es una posibilidad cuando el objeto está sumergido, por ejemplo, en un baño de limpieza ultrasónico). Las mismas fuerzas físicas que eliminan los contaminantes también tienen el potencial de dañar el objetivo que se está limpiando.
La cavitación se ha aplicado a la pasteurización de huevos. Un rotor lleno de agujeros produce burbujas de cavitación que calientan el líquido desde dentro. Las superficies del equipo se mantienen más frías que el líquido que pasa, por lo que los huevos no se endurecen como lo hacían en las superficies calientes de los equipos más antiguos. La intensidad de la cavitación se puede ajustar, lo que permite ajustar el proceso para minimizar el daño a las proteínas. [34]
La cavitación se ha aplicado al desgomado y refinado de aceite vegetal desde 2011 y se considera una tecnología probada y estándar en esta aplicación. La implementación de la cavitación hidrodinámica en el proceso de desgomado y refinado permite una reducción significativa en el uso de auxiliares de proceso, como productos químicos, agua y arcilla blanqueadora. [35] [36] [37] [38] [39]
La cavitación se ha aplicado a la producción de biodiésel desde 2011 y se considera una tecnología probada y estándar en esta aplicación. La implementación de la cavitación hidrodinámica en el proceso de transesterificación permite una reducción significativa en el uso de catalizador, una mejora de la calidad y un aumento de la capacidad de producción. [40] [41] [42]
La cavitación es un fenómeno generalmente indeseable. En dispositivos como hélices y bombas , la cavitación provoca mucho ruido, daños a los componentes, vibraciones y pérdida de eficiencia. El ruido causado por la cavitación puede ser particularmente indeseable en buques de guerra, donde dicho ruido puede hacerlos más fácilmente detectables por un sonar pasivo . La cavitación también se ha convertido en un problema en el sector de las energías renovables, ya que puede producirse en la superficie de las palas de las turbinas de corrientes de marea . [43]
Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan al líquido energético a ocupar volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. El ruido creado por la cavitación es un problema particular para los submarinos militares , ya que aumenta las posibilidades de ser detectados por un sonar pasivo .
Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de relativamente baja energía, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. [44] Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un gran desgaste en los componentes y pueden acortar drásticamente la vida útil de una hélice o una bomba.
Una vez que una superficie se ve afectada inicialmente por la cavitación, tiende a erosionarse a un ritmo cada vez más acelerado. Las picaduras de cavitación aumentan la turbulencia del flujo de fluido y crean grietas que actúan como sitios de nucleación para burbujas de cavitación adicionales. Las picaduras también aumentan el área de superficie de los componentes y dejan tensiones residuales. Esto hace que la superficie sea más propensa a la corrosión bajo tensión . [45]
Los principales lugares donde se produce cavitación son las bombas, las hélices o las restricciones de un líquido que fluye.
A medida que las palas de un impulsor (en una bomba) o de una hélice (como en el caso de un barco o un submarino) se mueven a través de un fluido, se forman áreas de baja presión a medida que el fluido se acelera alrededor de las palas y pasa por ellas. Cuanto más rápido se mueva la pala, menor será la presión a su alrededor. A medida que alcanza la presión de vapor , el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de gas. Esto es cavitación. Cuando las burbujas colapsan más tarde, generalmente causan ondas de choque locales muy fuertes en el fluido, que pueden ser audibles e incluso pueden dañar las palas.
La cavitación en las bombas puede ocurrir de dos formas diferentes:
La cavitación por succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en condiciones de baja presión y alto vacío, donde el líquido se convierte en vapor en el ojo del impulsor de la bomba. Este vapor se transporta al lado de descarga de la bomba, donde ya no ve vacío y se comprime nuevamente hasta convertirse en líquido por la presión de descarga. Esta acción de implosión ocurre violentamente y ataca la cara del impulsor. Un impulsor que ha estado funcionando en condiciones de cavitación por succión puede tener grandes trozos de material removidos de su cara o trozos muy pequeños de material removidos, lo que hace que el impulsor parezca una esponja. Ambos casos causarán una falla prematura de la bomba, a menudo debido a una falla del cojinete. La cavitación por succión a menudo se identifica por un sonido como de grava o canicas en la carcasa de la bomba.
Las causas comunes de cavitación por succión pueden incluir filtros obstruidos, bloqueo de tuberías en el lado de succión, diseño deficiente de las tuberías, bomba que funciona demasiado a la derecha en la curva de la bomba o condiciones que no cumplen con los requisitos de NPSH (altura de succión neta positiva). [46]
En aplicaciones automotrices, un filtro obstruido en un sistema hidráulico (dirección asistida, frenos asistidos) puede causar cavitación por succión, lo que produce un ruido que aumenta y disminuye en sincronía con las RPM del motor. Con bastante frecuencia, se trata de un gemido agudo, como si un conjunto de engranajes de nailon no engranara correctamente.
La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta, normalmente ocurre en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de máxima eficiencia. La alta presión de descarga hace que la mayor parte del fluido circule dentro de la bomba en lugar de salir por la descarga. A medida que el líquido fluye alrededor del impulsor, debe pasar a través del pequeño espacio libre entre el impulsor y la carcasa de la bomba a una velocidad de flujo extremadamente alta. Esta velocidad de flujo hace que se desarrolle un vacío en la pared de la carcasa (similar a lo que ocurre en un venturi ), que convierte el líquido en vapor. Una bomba que ha estado funcionando en estas condiciones muestra un desgaste prematuro de las puntas de los álabes del impulsor y la carcasa de la bomba. Además, debido a las condiciones de alta presión, se puede esperar una falla prematura del sello mecánico y los cojinetes de la bomba. En condiciones extremas, esto puede romper el eje del impulsor. [ cita requerida ]
Se cree que la cavitación de descarga en el líquido sinovial causa el sonido de estallido producido por el crujido de las articulaciones de los huesos , por ejemplo, al hacer crujir deliberadamente los nudillos.
Dado que todas las bombas requieren un caudal de entrada bien desarrollado para alcanzar su potencial, una bomba puede no funcionar o no ser tan confiable como se espera debido a un diseño defectuoso de la tubería de succión, como un codo acoplado en la brida de entrada. Cuando un caudal poco desarrollado ingresa al impulsor de la bomba, golpea los álabes y no puede seguir el paso del impulsor. Luego, el líquido se separa de los álabes y causa problemas mecánicos debido a la cavitación, la vibración y problemas de rendimiento debido a la turbulencia y el llenado deficiente del impulsor. Esto da como resultado fallas prematuras del sello, los cojinetes y el impulsor, altos costos de mantenimiento, alto consumo de energía y una altura y/o caudal menores a los especificados.
Para tener un patrón de flujo bien desarrollado, los manuales de los fabricantes de bombas recomiendan que haya aproximadamente (¿10 diámetros?) de tubería recta que corra aguas arriba de la brida de entrada de la bomba. Desafortunadamente, los diseñadores de tuberías y el personal de la planta deben lidiar con limitaciones de espacio y disposición de los equipos y, por lo general, no pueden cumplir con esta recomendación. En cambio, es común utilizar un codo acoplado de manera estrecha a la succión de la bomba, lo que crea un patrón de flujo poco desarrollado en la succión de la bomba. [47]
Con una bomba de doble succión conectada a un codo acoplado, la distribución del flujo hacia el impulsor es deficiente y provoca deficiencias en la confiabilidad y el rendimiento. El codo divide el flujo de manera desigual y canaliza más hacia el exterior del codo. En consecuencia, un lado del impulsor de doble succión recibe más flujo a una mayor velocidad y presión de flujo, mientras que el lado con menos flujo recibe un flujo altamente turbulento y potencialmente dañino. Esto degrada el rendimiento general de la bomba (altura entregada, flujo y consumo de energía) y provoca un desequilibrio axial que acorta la vida útil del sello, el cojinete y el impulsor. [48] Para superar la cavitación: aumente la presión de succión si es posible. Disminuya la temperatura del líquido si es posible. Reduzca la velocidad de la válvula de descarga para disminuir el caudal. Purgue los gases de la carcasa de la bomba.
La cavitación puede ocurrir en válvulas de control . [49] Si la caída de presión real a través de la válvula, definida por las presiones aguas arriba y aguas abajo en el sistema, es mayor que lo que permiten los cálculos de dimensionamiento, puede ocurrir una caída de presión o cavitación. El cambio de un estado líquido a un estado de vapor resulta del aumento de la velocidad de flujo en o justo aguas abajo de la mayor restricción de flujo, que normalmente es el puerto de la válvula. Para mantener un flujo constante de líquido a través de una válvula, la velocidad de flujo debe ser mayor en la vena contracta o el punto donde el área de la sección transversal es la más pequeña. Este aumento en la velocidad de flujo está acompañado por una disminución sustancial en la presión del fluido que se recupera parcialmente aguas abajo a medida que el área aumenta y la velocidad del flujo disminuye. Esta recuperación de presión nunca es completamente al nivel de la presión aguas arriba. Si la presión en la vena contracta cae por debajo de la presión de vapor del fluido, se formarán burbujas en la corriente de flujo. Si la presión se recupera después de la válvula a una presión que está una vez más por encima de la presión de vapor, entonces las burbujas de vapor colapsarán y se producirá cavitación.
Cuando el agua fluye sobre el aliviadero de una presa , las irregularidades en la superficie del aliviadero causarán pequeñas áreas de separación del flujo en un flujo de alta velocidad y, en estas regiones, la presión se reducirá. Si las velocidades del flujo son lo suficientemente altas, la presión puede caer por debajo de la presión de vapor local del agua y se formarán burbujas de vapor. Cuando estas son transportadas río abajo a una región de alta presión, las burbujas colapsan dando lugar a altas presiones y posibles daños por cavitación.
Las investigaciones experimentales muestran que los daños en los aliviaderos de túneles y canaletas de hormigón pueden comenzar con velocidades de flujo de agua clara de entre 12 y 15 m/s (27 y 34 mph), y, hasta velocidades de flujo de 20 m/s (45 mph), puede ser posible proteger la superficie racionalizando los límites, mejorando los acabados superficiales o utilizando materiales resistentes. [50]
Cuando hay algo de aire en el agua, la mezcla resultante es compresible y esto amortigua la alta presión causada por el colapso de las burbujas. [51] Si las velocidades de flujo cerca de la parte inferior del aliviadero son suficientemente altas, se deben introducir aireadores (o dispositivos de aireación) para evitar la cavitación. Aunque estos se han instalado durante algunos años, los mecanismos de arrastre de aire en los aireadores y el lento movimiento del aire alejándose de la superficie del aliviadero aún son un desafío. [52] [53] [54] [55]
El diseño del dispositivo de aireación del aliviadero se basa en una pequeña desviación del lecho (o pared lateral) del aliviadero, como una rampa y un desvío, para desviar el flujo de alta velocidad de la superficie del aliviadero. En la cavidad formada debajo de la capa, se produce una subpresión local debajo de la capa por la cual el aire es succionado hacia el flujo. El diseño completo incluye el dispositivo de desviación (rampa, desvío) y el sistema de suministro de aire.
Algunos motores diésel de mayor tamaño sufren cavitación debido a la alta compresión y a las paredes de los cilindros de tamaño insuficiente . Las vibraciones de la pared del cilindro inducen una alternancia de presión alta y baja en el refrigerante contra la pared del cilindro. El resultado es la formación de picaduras en la pared del cilindro, lo que acabará permitiendo que el líquido refrigerante se filtre al cilindro y que los gases de combustión se filtren al refrigerante.
Es posible evitar que esto ocurra mediante el uso de aditivos químicos en el líquido refrigerante que forman una capa protectora en la pared del cilindro. Esta capa estará expuesta a la misma cavitación, pero se regenera por sí sola. Además, una sobrepresión regulada en el sistema de refrigeración (regulada y mantenida por la presión del resorte del tapón de llenado del refrigerante) evita la formación de cavitación.
A partir de los años 1980, los nuevos diseños de motores de gasolina más pequeños también mostraron fenómenos de cavitación. Una respuesta a la necesidad de motores más pequeños y ligeros fue un volumen de refrigerante menor y una velocidad de flujo de refrigerante correspondientemente mayor. Esto dio lugar a cambios rápidos en la velocidad de flujo y, por lo tanto, cambios rápidos de presión estática en áreas de alta transferencia de calor. Cuando las burbujas de vapor resultantes colapsaron contra una superficie, tuvieron el efecto de primero romper las capas protectoras de óxido (de materiales de aluminio fundido) y luego dañar repetidamente la superficie recién formada, impidiendo la acción de algunos tipos de inhibidores de corrosión (como inhibidores a base de silicato). Un problema final fue el efecto que el aumento de la temperatura del material tuvo sobre la reactividad electroquímica relativa del metal base y sus componentes de aleación. El resultado fueron picaduras profundas que podían formarse y penetrar la cabeza del motor en cuestión de horas cuando el motor funcionaba a alta carga y alta velocidad. Estos efectos podrían evitarse en gran medida mediante el uso de inhibidores de corrosión orgánicos o (preferiblemente) diseñando la cabeza del motor de tal manera que se evitaran ciertas condiciones que inducen cavitación.
Algunas hipótesis [ ¿quién las formuló? ] [ se necesita un ejemplo ] relacionadas con la formación de diamantes postulan un posible papel de la cavitación, concretamente la cavitación en los tubos de kimberlita que proporcionan la presión extrema necesaria para transformar el carbono puro en el raro alótropo que es el diamante. Los tres sonidos más fuertes jamás registrados, durante la erupción de 1883 del Krakatoa , se entienden ahora [¿ cuándo? ] como las explosiones de tres enormes burbujas de cavitación, cada una más grande que la anterior, formadas en la garganta del volcán. El magma ascendente, lleno de gases disueltos y bajo una inmensa presión, se encontró con un magma diferente que se comprimió fácilmente, lo que permitió que las burbujas crecieran y se combinaran. [56] [57]
La cavitación puede ocurrir en el xilema de las plantas vasculares . [58] [59] La savia se vaporiza localmente de modo que los elementos vasculares o las traqueidas se llenan de vapor de agua. Las plantas pueden reparar el xilema cavitado de varias maneras. Para plantas de menos de 50 cm de altura, la presión de la raíz puede ser suficiente para redisolver el vapor. Las plantas más grandes dirigen los solutos al xilema a través de las células radiales , o en las traqueidas , a través de la ósmosis a través de fosas bordeadas . Los solutos atraen agua, la presión aumenta y el vapor puede redisolverse. En algunos árboles, el sonido de la cavitación es audible, particularmente en verano, cuando la tasa de evapotranspiración es más alta. Algunos árboles caducifolios tienen que perder hojas en otoño en parte porque la cavitación aumenta a medida que disminuyen las temperaturas. [59]
La cavitación desempeña un papel en los mecanismos de dispersión de esporas de ciertas plantas. En los helechos , por ejemplo, el esporangio del helecho actúa como una catapulta que lanza esporas al aire. La fase de carga de la catapulta es impulsada por la evaporación del agua de las células del anillo , lo que desencadena una disminución de la presión. Cuando la presión de compresión alcanza aproximadamente 9 MPa , se produce la cavitación. Este evento rápido desencadena la dispersión de las esporas debido a la energía elástica liberada por la estructura del anillo. La aceleración inicial de las esporas es extremadamente grande: hasta 10 5 veces la aceleración gravitacional . [60]
De la misma manera que las burbujas de cavitación se forman en la hélice de un barco que gira a gran velocidad, también pueden formarse en las colas y aletas de los animales acuáticos. Esto ocurre principalmente cerca de la superficie del océano, donde la presión del agua ambiental es baja.
La cavitación puede limitar la velocidad máxima de natación de animales poderosos como los delfines y los atunes . [61] Los delfines pueden tener que limitar su velocidad porque las burbujas de cavitación que colapsan en su cola son dolorosas. Los atunes tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas y no sienten dolor por la cavitación. Se ralentizan cuando las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas. Se han encontrado lesiones en atunes que son consistentes con el daño por cavitación. [62]
Algunos animales marinos han encontrado formas de utilizar la cavitación en su beneficio cuando cazan presas. El camarón pistola chasquea una pinza especializada para crear cavitación, que puede matar a peces pequeños. El camarón mantis (de la variedad aplastadora ) también utiliza la cavitación para aturdir, aplastar o matar a los mariscos de los que se alimenta. [63]
Los tiburones zorro usan "golpes de cola" para debilitar a sus presas de peces pequeños y se han visto burbujas de cavitación elevándose desde el vértice del arco de la cola. [64] [65]
En la última media década, [ ¿ cuándo? ] la erosión costera en forma de cavitación inercial ha sido generalmente aceptada. [66] Las burbujas en una ola entrante son forzadas a entrar en grietas en el acantilado que se está erosionando. La presión variable descomprime algunas bolsas de vapor que posteriormente implosionan. Los picos de presión resultantes pueden hacer estallar fracciones de la roca.
Ya en 1754, el matemático suizo Leonhard Euler (1707-1783) especuló sobre la posibilidad de la cavitación. [67] En 1859, el matemático inglés William Henry Besant (1828-1917) publicó una solución al problema de la dinámica del colapso de una cavidad esférica en un fluido, que había sido presentado por el matemático anglo-irlandés George Stokes (1819-1903) como uno de los problemas y anexos del Senado de la Universidad de Cambridge para el año 1847. [68] [69] [70] En 1894, el dinamista de fluidos irlandés Osborne Reynolds (1842-1912) estudió la formación y el colapso de burbujas de vapor en líquidos hirviendo y en tubos constreñidos. [71]
El término cavitación apareció por primera vez en 1895 en un artículo de John Isaac Thornycroft (1843-1928) y Sydney Walker Barnaby (1855-1925), hijo de Sir Nathaniel Barnaby (1829-1915), que había sido el constructor jefe de la Marina Real, a quien se lo había sugerido el ingeniero británico Robert Edmund Froude (1846-1924), tercer hijo del hidrodinámico inglés William Froude (1810-1879). [72] [73] Los primeros estudios experimentales de la cavitación fueron realizados en 1894-5 por Thornycroft y Barnaby y por el ingeniero anglo-irlandés Charles Algernon Parsons (1854-1931), quien construyó un aparato estroboscópico para estudiar el fenómeno. [74] [75] [76] Thornycroft y Barnaby fueron los primeros investigadores en observar cavitación en las partes traseras de las palas de la hélice. [77]
En 1917, el físico británico Lord Rayleigh (1842-1919) amplió el trabajo de Besant, publicando un modelo matemático de cavitación en un fluido incompresible (ignorando la tensión superficial y la viscosidad), en el que también determinó la presión en el fluido. [78] Los modelos matemáticos de cavitación desarrollados por el ingeniero británico Stanley Smith Cook (1875-1952) y por Lord Rayleigh revelaron que las burbujas de vapor que colapsaban podían generar presiones muy altas, capaces de causar los daños que se habían observado en las hélices de los barcos. [79] [80] La evidencia experimental de que la cavitación causa presiones tan altas fue recolectada inicialmente en 1952 por Mark Harrison (un dinámico de fluidos y acústico de la Cuenca Modelo David Taylor de la Marina de los EE. UU. en Carderock, Maryland, EE. UU.) que utilizó métodos acústicos y en 1956 por Wernfried Güth (un físico y acústico de la Universidad de Göttigen, Alemania) que utilizó la fotografía óptica de Schlieren . [81] [82] [83]
En 1944, los científicos soviéticos Mark Iosifovich Kornfeld (1908-1993) y L. Suvorov del Instituto Físico-Técnico de Leningrado (ahora: Instituto Físico-Técnico Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias, San Petersburgo, Rusia) propusieron que durante la cavitación, las burbujas en las proximidades de una superficie sólida no colapsan simétricamente; en cambio, se forma un hoyuelo en la burbuja en un punto opuesto a la superficie sólida y este hoyuelo evoluciona hasta convertirse en un chorro de líquido. Este chorro de líquido daña la superficie sólida. [84] Esta hipótesis fue apoyada en 1951 por estudios teóricos de Maurice Rattray Jr., un estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnología de California . [85] La hipótesis de Kornfeld y Suvorov fue confirmada experimentalmente en 1961 por Charles F. Naudé y Albert T. Ellis, especialistas en dinámica de fluidos en el Instituto de Tecnología de California. [86]
Una serie de investigaciones experimentales de la propagación de fuertes ondas de choque (SW) en un líquido con burbujas de gas, que permitieron establecer las leyes básicas que gobiernan el proceso, el mecanismo para la transformación de la energía de la SW, la atenuación de la SW y la formación de la estructura, y experimentos sobre el análisis de la atenuación de las ondas en pantallas de burbujas con diferentes propiedades acústicas fueron iniciados por trabajos pioneros del científico soviético prof. VF Minin en el Instituto de Hidrodinámica (Novosibirsk, Rusia) en 1957-1960, quien también examinó el primer modelo conveniente de una pantalla: una secuencia de capas de líquido y gas unidimensionales planas alternas. [87] En una investigación experimental de la dinámica de la forma de cavidades gaseosas pulsantes e interacción de SW con nubes de burbujas en 1957-1960 VF Minin descubrió que bajo la acción de SW una burbuja colapsa asimétricamente con la formación de un chorro acumulativo, que se forma en el proceso de colapso y causa la fragmentación de la burbuja. [87]
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