Cavitacion

La cavitación es un problema frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos, el cual genera grandes problemas de mantenimiento. Las primeras observaciones sobre cavitación fueron hechas por Isaac Newton en 1704, quien realizó estudios en zonas de baja presión entre superficies en contacto rodante, separadas por una capa delgada de agua.

En el siglo XIX, el problema que presentaban los tornillos de los barcos de vapor, a perder su control sobre el agua, daba como resultado disminuir la vida de los motores, lo cual había desconcertado a los ingenieros, aunque Euler previó esto en 1754 en su obra sobre las teoría de las turbinas, también afirmó que un líquido sometido a tensión en zonas de alta velocidad, puede perder su medio continuo del fluido al formarse cavidades de aire.

Por otra parte, en el siglo XIX Reynolds describió el fenómeno de cavitación como se conoce hoy en día. En 1894 realizó experimentos en tubo de Venturi y observó que se formaban burbujas en las proximidades en la disminución del diámetro, observó que puede aumentar la temperatura del agua en un tubo abierto a temperatura ambiente a niveles de ebullición.

Durante el año 1985, Charles Algernon Parsons, construyó el “Turbinia”, un barco de vapor donde se dio cuenta que el agua se agitaba simultáneamente con la formación de burbujas, como consecuencia de una reducción brusca de la presión detrás de las hélices; es decir, el agua se impactaba en las superficies de las hélices, las cavidades no contenían aire, sólo vapor de agua, además la mayor parte de la potencia del motor se consumía en la propulsión del barco. Parsons diseñó y construyó para el estudio de la cavitación un circuito cerrado en forma ovalada con sección transversal rectangular, propulsada por una hélice en movimiento. En 1910, Parsons construyó un túnel de cavitación mas grande en Newcastle UponTyne, para el estudio de la cavitación, que le permitió hacer ensayos con hélices de 12 pulgadas de diámetro [2]. Por otra parte el termino “cavitación” apareció por primera vez en el artículo de Sidney Barnaby y Thornycroft, donde se describe la cavitación sobre hélices de buques, sin embargo se le atribuye al ingeniero naval, RE. Froude la invención del término.

En 1917, Lord Rayleigh presentó un estudio sencillo y realista del colapso de una burbuja con simetría esférica, los resultados indicaron que las burbujas contenían los elementos necesarios para generar ondas de choque intensas y producir un daño en una superficie, erosionando al material. Durante el mismo año Dieter Thoma definió el parámetro de cavitación como la diferencia entre la presión absoluta en zonas susceptibles a la cavitación y la presión de vapor del líquido. Plesset trato problemas muy relevantes para la dinámica de burbujas, como su estabilidad en soluciones liquido-gas [3].

Hacia 1950 Glaser, inventó la cámara de burbujas, dando origen a la investigación de cavitación inducida por radiación. Seitz explico la formación de burbujas por partículas cargadas en líquidos sobrecalentados [4].

1.2 CLASIFICACIÓN

La cavitación puede clasificarse de acuerdo con el contenido de las burbujas, las cuales pueden contener gas o vapor o una combinación de ambos.

Si las burbujas contienen gas, la expansión en el líquido puede ser por la difusión de gases disueltos en el liquido en la burbuja, por reducción de la presión o por aumento de la temperatura; sin embargo, si las burbujas contienen vapor, la reducción de la presión es suficiente para la formación de las burbujas siendo la temperatura constante, es causa principal de un efecto “explosivo” en las cavidades, mientras que elevar la temperatura lo suficiente hace que el vapor de las burbujas crezca continuamente produciendo el efecto conocido como hervir.

Existen cuatro formas de generar el crecimiento de la burbuja:

1.- Para una burbuja llena de gas, por la reducción de la presión o por el aumento de la temperatura, se llama cavitación gaseosa.

2.- Para obtener una burbuja llena de vapor, por reducción de la presión, se conoce como cavitación vaporosa.

3.- Para una burbuja llena de gas, si el gas viene del exterior del líquido por difusión, llena la burbuja, al proceso se le conoce como desgasificación.

4.- Para obtener una burbuja llena de vapor, es suficiente con aumentar la temperatura, a esto se le denomina ebullición [5].

La burbuja por lo general contiene una mezcla de gas y vapor, por lo que clasificar y entender el origen claramente de la cavitación puede ser complicado. De acuerdo al modo de generación la cavitación se puede clasificar en cuatro tipos diferentes como la propone Lauterborn [6].

Lauterborn también sugirió que la cavitación hidrodinámica y acústica son causadas por la tensión del líquido, mientras que la cavitación óptica y de partícula son generadas por un depósito local de energía. A continuación se listan las cuatro formas de cavitación propuestas por Lauterborn:

1.- La cavitación hidrodinámica es producida por las variaciones de presión en un flujo del líquido debido a la geometría del sistema.

2.- La cavitación acústica es generada por las ondas de sonido en un líquido debido a las variaciones de presión.

3.- La cavitación óptica es inducida por los fotones de luz de alta intensidad que atraviesan a un líquido.

4.- La cavitación de partículas se produce por cualquier otro tipo de partículas en el líquido.

DEFINICIÓN DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN

La erosión por cavitación es el daño mecánico de un material a causa de la presión impulsiva generada por el continuo colapso de las burbujas [7]. Esta comienza cuando el área de la cavitación es considerablemente grande, la zona de mayor daño ocurre en la región de colapso de las burbujas.

Mediante pruebas experimentales se ha determinado que este fenómeno es causado inicialmente por fatiga, para dar paso a la fractura, el subsecuente impacto de burbujas, existiendo un valor límite por encima del cual, las cargas comienzan a contribuir a la fractura por fatiga. La fractura por fatiga del material se produce a lo largo de la superficie de impacto desprendiendo partículas.

Cavitación es un fenómeno generado por la formación cíclica de burbujas o cavidades de vapor y/o gas, en este medio la presión estática o dinámica desciende a presión de vapor a temperatura constante. Una vez que las burbujas son originadas, estas se mueven a tráves del líquido hasta someterse a un aumento de presión donde colapsan o implotan, es decir regresan al estado liquido de manera súbita [8].

Las presiones pueden ser transmitidas desde el colapso de las burbujas a la superficie, ya sea en la forma de

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