Nelle macchine a fluido, come pompe e valvole, il fenomeno della cavitazione provoca una degradazione delle prestazioni, causando spesso anche un danno fisico ai componenti.
Ad oggi, non è possibile prevedere con precisione dove stia per generarsi il danno e quantificare la sua entità senza basarsi prevalentemente sull’esperienza.
Il mercato rende tuttavia disponibili soluzioni software di simulazione fluidodinamica (CFD) in grado di prevedere la cavitazione nelle macchine a fluido non solo in fase di progettazione, ma anche negli impianti in produzione, permettendo anche di valutare l’entità del danno e correggerlo opportunamente.
Cos’è la cavitazione
La cavitazione nelle macchine a fluido è il fenomeno per il quale, a causa dell’accelerazione del fluido all’interno della macchina, la pressione locale scende sotto il valore della pressione di vapore, con conseguente formazione di bolle di vapore nel liquido.
Queste bolle collassano quando il fluido si ricomprime, provocando danni molto severi ed un aumento di rumorosità della macchina.
La cavitazione nelle pompe volumetriche
Indipendentemente dalla specifica geometria, una pompa volumetrica prevede sempre del fluido che viene spostato e compresso, grazie al movimento, dall’ aspirazione alla mandata. Proprio per effetto dei vari gradienti di pressione, il fluido inevitabilmente genera cavitazione, soprattutto, ma non solo, nei passaggi che connettono la parte rotorica con la parte statorica, provocando un danneggiamento della pompa, oltre a rumore.
La cavitazione nelle pompe centrifughe
Nelle pompe centrifughe, il danno si verifica sul bordo di attacco delle palette, in prossimità dell’aspirazione della pompa.
La formazione delle bolle dipende quindi sia dalla forma delle palette, che dalle condizioni di aspirazione della pompa. La stessa pompa, infatti, posizionata in impianti diversi, può o meno avere problemi legati alla depressione in ingresso, che danno origine a cavitazione.
La cavitazione nelle valvole
La progettazione di una valvola prevede il calcolo delle forze fluidodinamiche attraverso la conservazione della quantità di moto.
Se questo approccio fornisce generalmente risultati accettabili per la fase di apertura dell’otturatore della valvola, la fase di chiusura presenta invece dei problemi.
È allora necessario considerare il flusso sia a monte che a valle della valvola, in quanto si può verificare cavitazione a ridosso dell’otturatore, che impedisce o ritarda la chiusura della valvola stessa.
Questo articolo ti interessa e vorresti saperne di più?
Scarica il White Paper “Capire e mitigare la cavitazione nella progettazione delle macchine a fluido”!
Ti permetterà di :
- Accedere alle migliori soluzioni per mitigare la cavitazione in fase di progettazione e di troubleshooting
- Capire la cavitazione per sviluppare componenti più efficaci
L’approccio progettuale tradizionale
La progettazione tradizionale, in generale, si basa sull’esperienza, sulla teoria, su articoli scientifici e database aziendali, e si affida principalmente alla prototipazione e ai test sperimentali.
Le prove di laboratorio per individuare la cavitazione nelle macchine a fluido, in particolare, sono lunghe e costose, con il prototipo utilizzato per la prova che deve essere identico a quello poi adottato nell’impianto reale.
Le simulazioni per la prevenzione della cavitazione
La progettazione virtuale, intesa come insieme procedure e tecnologie che permettono di ideare e testare un nuovo prodotto al computer, senza la necessità di ricorrere al prototipo fisico, se non al momento della certificazione, permette oggi l’analisi e il controllo a priori dei fenomeni di cavitazione nelle macchine a fluido, riducendo notevolmente tempi e costi di sviluppo.
È anche possibile studiare e mettere a confronto rapidamente diverse varianti progettuali, per selezionare la migliore.
La fluidodinamica computazionale (CFD), in particolare, consente di analizzare rapidamente la geometria considerata per ottenerne la curva caratteristica, identificare eventuali condizioni di cavitazione, valutare l’NPSHr (Net Positive Suction Head Required, la pressione minima necessaria all’ingresso di una pompa per evitare il fenomeno della cavitazione) e stabilire il calo di efficienza della macchina.
Le simulazioni possono essere eseguite sia in fase di progettazione e design, che in fase di troubleshooting, nel caso in cui il componente sia collocato all’interno di un impianto problematico.
Le pompe centrifughe, ad esempio, sono state uno dei primi componenti in movimento studiati con la fluidodinamica computazionale. Fino a qualche anno fa, era possibile studiare solo un settore palare, utilizzando la assial-simmetria della geometria; mentre oggi si può studiare la macchina per intero con analisi transitorie, quindi simulando esplicitamente diverse rivoluzioni della girante. Questo è reso possibile dalla disponibilità di risorse di calcolo più potenti e di algoritmi di calcolo più efficienti.
L’utilizzo di simulazioni CFD per prevedere l’erosione da cavitazione nelle pompe volumetriche, invece, non è ancora nelle procedure di verifica standardizzate, mai risultati sono già molto promettenti ed estensivamente validati, mentre la progettazione di una valvola mediante CFD richiede che il software sia in grado di recepire la fisica complessa che descrive il fluido e di eseguire un bilancio delle forze agenti sulla valvola in regime transitorio, durante l’apertura e la completa chiusura dell’otturatore. Questi fenomeni, altamente non lineari, non possono essere semplicemente studiati considerando le pressioni agenti sul componente, ma necessitano di una simulazione CFD tridimensionale.
Mitigazione della cavitazione in fase di progettazione
Per individuare preventivamente le aree a rischio cavitazione, OMIQ, avvalendosi della sua pruriennale esperienza in simulazioni fluidodinamiche, ha sviluppato SimericsMP+©, un software che a partire dalla geometria 3D del componente, o dei componenti, servendosi del modello del fluido in circolazione e di un’analisi CFD tridimensionale, è in grado di verificare la presenza delle bolle di cavitazione nelle macchine a fluido, la loro evoluzione e il loro collasso.
In particolare, il modello di fluido impiegato considera sia la comprimibilità del liquido che la presenza di gas all’interno di esso. Risolvendo le equazioni di Navier-Stokes e le equazioni di trasporto relative al modello di cavitazione, questo fenomeno si può osservare e valutare sulla base dei dati di pressione, di frazione di vapore e di aria.
È stata inoltre sviluppata una metodologia che permette di prevedere come viene danneggiato un certo componente in base all’energia con cui la bolla di cavitazione collassa su un determinato materiale. In tal modo si ottiene una sorta di mappa dell’erosione dovuta alla cavitazione.
È a questo punto che si interviene con la mitigazione vera e propria, apportando modifiche geometriche puntuali e tali da far sì che il fluido non sia soggetto ad un forte gradiente di velocità, e di conseguenza di pressione. Passo-passo, le analisi CFD permettono quindi di verificare se la modifica effettuata è quella corretta oppure no.
Con poche ore di calcolo, è in definitiva possibile selezionare alcune varianti di progetto ottimizzate, da trasformare poi in prototipi fisici per la verifica al banco.
Mitigazione della cavitazione in fase di troubleshooting
Come accennato in precedenza, la cavitazione può insorgere nelle macchine a fluido non solo in fase di progettazione, ma anche quando il componente è già inserito in uno specifico impianto, e dunque si trova in condizioni operative.
Per riprodurre, analizzare e risolvere questo tipo di problemi, SimericsMP+© di OMIQ, attraverso specifici template, permette di simulare interi sistemi costituiti da pompe, valvole, condotti e sistemi di controllo.
Questo permette di identificare la causa del malfunzionamento, definire una possibile una soluzione, e verificarla attraverso il modello di calcolo, prima di implementarla nell’impianto.
Ad esempio, il software è stato usato per una pompa ad ingranaggi interni, in cui il cambio di azionamento impediva l’ottimale riempimento del circuito. Grazie allo studio e alla riprogettazione della porta di aspirazione, tramite la CFD è stato possibile consentire e ottimizzare il riempimento della pompa e dell’intero circuito, anche alle alte velocità richieste dal motore elettrico, rendendo così possibile riutilizzare, in una nuova applicazione, una pompa già esistente.
Il medesimo risultato si sarebbe potuto ottenere con prove sperimentali, ma con tempi, e costi, nettamente superiori.
Conclusioni
OMIQ si avvale delle più moderne tecniche di per mitigare la cavitazione nelle macchine a fluido, in modo da:
- Accelerare la fase di sviluppo delle macchine a fluido, riducendo la necessità di test sperimentali su prototipi fisici
- Migliorarne le prestazioni, riducendo anche rumore e vibrazioni e prolungando la vita dei singoli componenti
