Análise numérica do escoamento cavitante em válvula de esfera

Abstract

A utilização de válvulas em sistemas aeroespaciais, especialmente em linhas de pressurização, de alimentação de propelentes e de circuitos de controle térmico, motiva estudos sobre o comportamento do escoamento interno e dos fenômenos de cavitação nesses dispositivos. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma análise numérica do escoamento interno e da formação de cavitação em uma válvula de esfera sob diferentes ângulos de abertura, com destaque para a queda de pressão e para a previsão das regiões suscetíveis ao surgimento de vapor. A cavitação ocorre quando a pressão local do fluido cai abaixo da pressão de vapor, o que provoca a formação de bolhas no escoamento. Esse fenômeno pode causar erosão, vibrações, ruído excessivo e perda de desempenho hidráulico, reduzindo a vida útil do sistema e comprometendo sua operação. O estudo buscou reproduzir numericamente as condições experimentais apresentadas no artigo "Performance Test and Flow Visualization of Ball Valve", utilizando o mesmo diâmetro interno da tubulação e configurações semelhantes de abertura da válvula. A geometria foi modelada de forma aproximada com base no artigo de referência, permitindo comparar qualitativamente os resultados numéricos com os dados experimentais disponíveis. A simulação foi realizada usando a fluidodinâmica computacional no software Ansys Fluent. Foi utilizado o modelo multifásico Mixture com cavitação de Schnerr-Sauer, associado ao modelo de turbulência k − ε com wall functions. Foram analisados os campos de pressão e de velocidade, assim como a fração volumétrica de vapor, entre a entrada e a saída da válvula em regime transiente. Os resultados identificaram as regiões de maior intensidade de cavitação, que estão principalmente nas áreas de maior aceleração do escoamento e menor pressão estática.

The use of valves in aerospace systems, especially in pressurization lines, propellant feed systems, and thermal control circuits, motivates studies regarding internal flow behavior and cavitation phenomena in these devices. In this context, this work presents a numerical analysis of the internal flow and cavitation formation in a ball valve at different opening angles, with an emphasis on pressure-drop analysis and the prediction of regions susceptible to vapor formation. Cavitation occurs when the local fluid pressure falls below the vapor pressure, leading to the formation of vapor bubbles within the flow. This phenomenon may cause erosion, vibrations, excessive noise, and hydraulic performance losses, reducing the system lifetime and compromising its operation. The study aimed to numerically reproduce the experimental conditions presented in the article "Performance Test and Flow Visualization of Ball Valve," using the same internal pipe diameter and similar valve-opening configurations. The geometry was modeled approximately based on the reference article, enabling a qualitative comparison between the numerical results and the available experimental data. The simulation was performed using Computational Fluid Dynamics (CFD) in Ansys Fluent. The Mixture multiphase model with the Schnerr–Sauer cavitation model was employed with the standard k − ε turbulence model and wall functions. Pressure and velocity fields, as well as the vapor volume fraction, were analyzed between the valve inlet and outlet under transient flow conditions. The results identified the regions of highest cavitation intensity, which were mainly located in areas of greater flow acceleration and lower static pressure.