Non-Invasive Detection of Vortex Street Cavitation

Detección no invasiva de la cavitación en calles de vórtices

Objetivo: Este artículo presenta una metodología para la detección no invasiva de calles de vórtices de von Kármán cavitantes. Esta se basa en el análisis cicloestacionario del ruido que produce el colapso de las burbujas. Materiales y métodos: Se montó un perfil hidrodinámico en la sección de prueba de un túnel de cavitación de alta velocidad y se reprodujo el fenómeno bajo condiciones controladas de flujo y presión. El ángulo de incidencia se mantuvo constante. Con la velocidad del flujo se regula la frecuencia de generación de vórtices; mientras que con la presión se controla la aparición de cavitación. Se utilizó fotografía de alta velocidad para confirmar la aparición de la cavitación en el núcleo de los vórtices. Un vibrómetro láser que apuntaba a la superficie superior del perfil valida la interacción fluido-estructura debida al desprendimiento de vórtices. Se usó un micrófono para registrar el sonido producido por el fenómeno y que se transmite al ambiente. Resultados y discusión: La coherencia cíclica mostró evidencia desacoplada del desprendimiento periódico de vórtices y de la presencia o ausencia de cavitación en sus núcleos, por lo que alcanzó valores cercanos a 0,7 para frecuencias específicas. Conclusión: Se implementó un enfoque de monitoreo no invasivo y un indicador estadístico que permiten el diagnóstico de tales fenómenos.

INTRODUCCIÓN

La formación de una calle de vórtices de von Kármán es un fenómeno hidrodinámico asombroso: es como elaborar una sinfonía a partir del caos. Cuando se coloca un cuerpo de farol en una corriente fluida turbulenta, aparece una disposición bien organizada de vórtices que se desarrollan armoniosamente en la estela a un ritmo constante dictado por el número de Strouhal, como se muestra en la Eq. (1). Se define por el producto entre la frecuencia de desprendimiento de vórtices f_s y el tiempo de inercia, que a su vez es la relación entre la longitud característica L y la velocidad de referencia del flujo C_ref [1]. Para una velocidad de flujo determinada, ésta es constante, y ahí reside tanto su belleza como su peligro. Se pueden encontrar imágenes espectaculares de las calles de von Kármán desde escalas pequeñas (unos milímetros) [2] hasta escalas planetarias (varios cientos de kilómetros) [3], [4]. Sin embargo, el fenómeno resulta indeseable en muchas situaciones técnicas. Por ejemplo, el flujo dentro de las turbomáquinas no es inmune a este fenómeno cuando los fluidos fluyen alrededor de piezas que se comportan como cuerpos truncados. Los vórtices alternos se forman por la interacción de capas de cizalla conductoras que se desprenden a fuerzas de elevación oscilantes en la estructura [5]-[9]; en otras palabras, vibraciones inducidas por el flujo con una frecuencia de excitación que depende del caudal. Las vibraciones inducidas por el flujo y la interacción de la estructura con el flujo son temas de discusión activa en la literatura especializada [10]-[20]. Es bien sabido que los objetos que desprenden vórtices son excitados por la fluctuación de las fuerzas hidrodinámicas implicadas.