Estudio del comportamiento hidráulico de la válvula Howell-Bunger mediante simulación aplicando el programa ANSYS CFX

Abstract

Las válvulas de cono fijo, también conocidas como válvulas Howell-Bunger, son dispositivos utilizados para reducir de forma segura la energía del flujo en presas de altura media a alta. Estas válvulas dirigen el flujo de salida a un chorro hueco cónico, lo cual requiere un área amplia para la disipación de energía. El control del flujo se realiza mediante sistemas de regulación mecánica o hidráulica, y su funcionamiento requiere un consumo mínimo de energía. El presente trabajo de investigación tuvo como propósito analizar el comportamiento hidráulico de prototipos de válvula Howell-Bunger, analizando las diferentes posiciones de la manga cilíndrica deslizante en condiciones de operación de caudal y salto hidráulico constantes. Para ambas condiciones de operación análisis, se empleó ANSYS-CFX como paquete informático de simulación numérica basada en la Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD) para la construcción del modelo. Para validación, los resultados obtenidos de la simulación del modelo CFD fue contrastada con los experimentos de Tsalov (2017) prediciendo con bastante precisión las curvas de caudal vs caída de presión no superando el 15% admisible para problemas prácticos de la ingeniería. Además, el modelo CFD es capaz de representar con suficiente aproximación los valores teóricos de Taco (2018) y experimental de Tsalov (2017) correspondiente al coeficiente de caudal cuando las aberturas de válvula alcanzan 70% de su valor máximo. Además, se analizó el comportamiento fluidodinámico de las válvulas bajo ambos escenarios de operación pudiendo identificarse los mecanismos que gobiernan la formación de la turbulencia y su disipación de manera a incrementar el entendimiento acerca del funcionamiento de tales dispositivos. En síntesis, el presente trabajo de investigación permitió comprender el comportamiento hidráulico de la válvula de cono fijo, obteniendo información relevante sobre los coeficientes de descarga en válvulas disipadoras y los parámetros de operación que influyen en su rendimiento. Estos resultados son fundamentales pues abre nuevas formas de análisis para el diseño y optimización de este tipo de dispositivos utilizados en la ingeniería hidráulica

Fixed cone valves, also known as Howell-Bunger valves, are devices used to safely reduce flow energy in medium to high head dams. These valves direct the outlet flow into a conical hollow jet, which requires a large area for energy dissipation. Flow control is carried out through mechanical or hydraulic regulation systems, and its operation requires minimal energy consumption. The purpose of this research work was to analyze the hydraulic behavior of Howell-Bunger valve prototypes, analyzing the different positions of the cylindrical sliding sleeve under operating conditions of constant flow and hydraulic jump. For both operating conditions analyzed, ANSYS-CFX was used as a numerical simulation software package based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) for the construction of the simulation model. For validation, the results of the CFD model were compared with the experiments of Tsalov (2017), predicting with sufficient precision the flow rate vs. pressure drop curves, not exceeding the 15% admissible for practical engineering problems. Furthermore, the CFD model is capable of representing with sufficient approximation the theoretical values of Taco (2018) and the experimental values of Tsalov (2017) corresponding to the flow coefficient when the valve openings reach 70% of their maximum value. In addition, the fluid-dynamic behavior of the valves was analyzed under both operating scenarios, allowing the mechanisms that govern the formation of turbulence and its dissipation to be identified in order to increase understanding about the operation of such devices. In summary, the present research work allowed us to understand the hydraulic behavior of the fixed cone valve, obtaining relevant information about the discharge coefficients in dissipative valves and the operating parameters that influence their performance. These results are fundamental as they open new forms of analysis for the design and optimization of this type of devices used in hydraulic engineering.