Avances en la dinámica de fluidos de válvulas y control de ruido

Resumen: Los avances en la simulación numérica y las técnicas de acoplamiento multifísico han proporcionado una visión más profunda de las complejas estructuras de flujo interno y los mecanismos de generación de ruido en válvulas, impulsando el desarrollo de tecnologías de reducción de ruido de alta eficiencia. Este artículo proporciona una revisión sistemática de los mecanismos de ruido de válvulas causados por pulsaciones turbulentas, desprendimiento de vórtice e interacciones fluido-estructura. Se analizan y comparan las mejoras en precisión y las limitaciones de los métodos numéricos actuales de predicción de ruido. Además, se revisan los avances recientes en tecnologías de control de ruido, cubriendo métodos pasivos como la optimización estructural y el tratamiento acústico, así como estrategias inteligentes de control activo. La investigación futura debe enfatizar las simulaciones de acoplamiento multifísico avanzado, el modelado basado en el aprendizaje profundo y los métodos de validación experimentales para promover el desarrollo de diseños de válvulas inteligentes y de bajo ruido.

válvulas Son componentes de control esenciales en los sistemas de tuberías industriales y se utilizan ampliamente en las industrias del petróleo, química, generación de energía y construcción naval, donde realizan funciones críticas como regulación de flujo, control de presión y control de dirección de flujo. Sin embargo, durante la operación, los fenómenos de flujo complejos, que incluyen turbulencia, separación de flujo, formación de vórtice y cavitación, ocurren a medida que el fluido pasa a través de la válvula. Estos fenómenos no solo degradan el rendimiento y la eficiencia de las válvulas, sino que también generan ruido y vibraciones significativos. El ruido generado por las válvulas no solo contamina el entorno de trabajo y afecta negativamente la salud y la productividad de los operadores, sino que también puede inducir daños por fatiga estructural en válvulas y tuberías conectadas, lo que puede provocar graves incidentes de seguridad. A medida que las industrias modernas exigen un mayor rendimiento de los equipos y estándares ambientales cada vez más estrictos, la dinámica de fluidos de las válvulas y el control de ruido se han convertido en áreas críticas de investigación en ingeniería. En condiciones extremas de funcionamiento, como alta presión, alta velocidad de flujo y altos números de Reynolds, el flujo interno dentro de las válvulas se vuelve cada vez más complejo y los problemas de ruido se vuelven más graves, lo que supone mayores demandas en el diseño y la optimización de las válvulas. En los últimos años, los rápidos desarrollos en dinámica de fluidos computacional (CFD), aeroacústica computacional (CAA) y técnicas de acoplamiento multifísico, junto con con el uso extensivo de métodos de medición experimentales avanzados, han avanzado significativamente la investigación sobre las características del flujo de las válvulas y el control de ruido. Este documento proporciona una revisión sistemática de los avances recientes en investigación en dinámica de fluidos y control de ruido de las válvulas. Basado en teorías fundamentales y modelos matemáticos, este documento revisa la comprensión actual de las características del flujo de las válvulas internas, evalúa los avances recientes en mecanismos de generación de ruido de las válvulas y estrategias de control, y destaca los desafíos y direcciones clave para futuras investigaciones.

El movimiento del fluido dentro de una válvula sigue las leyes fundamentales de conservación de masa, momento y energía, que pueden ser descritas por las siguientes ecuaciones gobernantes.

(1) ecuación de continuidad

(2) ecuación Navier - Stokes

(3) ecuación de energía

En válvulas sometidas a diferenciales de alta presión, el flujo interno a menudo se comporta como un fluido compresible y se acompaña de fenómenos complejos, que incluyen ondas de choque, separación de capa límite y desprendimiento de vórtice. Usando una válvula reguladora de vapor como ejemplo, cuando el vapor pasa por la garganta de la región de estrangulamiento, su velocidad puede acelerarse a niveles supersónicos, seguida de una rápida expansión y desaceleración en la sección aguas abajo, formando zonas de recirculación y capas de cizalla oscilantes. Durante este proceso, parte de la energía mecánica del fluido se convierte en energía acústica, lo que resulta en una importante generación de ruido. 

El ruido de las válvulas surge principalmente de tres tipos de fuentes acústicas: monopoles, causados por fluctuaciones de flujo volumétrico; dipolos, generados por fuerzas inestables sobre superficies sólidas; y cuadrupolos, resultado de fluctuaciones de estrés turbulento dentro del fluido. Según la analogía acústica de Lighthill, el movimiento del fluido puede modelarse como una distribución de fuentes de sonido equivalentes, con la ecuación de onda acústica correspondiente se expresa como sigue:

Para una predicción práctica del ruido de las válvulas, la ecuación Ffowcs Williams - Hawkings (FW - H) es ampliamente utilizada, ya que maneja eficazmente las condiciones de contorno en movimiento. Su forma general se puede expresar de la siguiente manera:

Aquí, los tres términos en el lado derecho se corresponden con ruido de espesor (fuente monopólica), ruido de carga (fuente dipolar) y ruido inducido por turbulencia (fuente cuadrupolar), respectivamente.

El ruido de la válvula es fundamentalmente un problema de interacción fluido-estructura (FSI). Las fluctuaciones de presión inducidas por el flujo excitan vibraciones en el cuerpo de la válvula y los componentes internos, que a su vez modifican el campo de flujo, creando un bucle de retroalimentación vibroacústica acoplado. Las ecuaciones gobernantes se expresan de la siguiente manera.

(1) Dominio fluido

(2) Dominio sólido

(3) Condiciones de interfaz

Las investigaciones indican que el ruido de la válvula generalmente se puede clasificar en tres tipos: ruido turbulento, ruido de cavitación y ruido mecánico. El ruido turbulento se origina en las fluctuaciones de presión causadas por la turbulencia del fluido dentro de la válvula y se concentra principalmente en el rango de frecuencia media a alta, mientras que el ruido de cavitación resulta de las ondas de choque producidas durante el colapso de las burbujas de cavitación y abarca un amplio espectro de frecuencias. El ruido mecánico es causado por vibraciones y colisiones entre los componentes de la válvula y se concentra principalmente en el rango de baja frecuencia. La Tabla 1 resume las fuentes primarias de ruido de la válvula y sus características correspondientes.

Tabla 1. Principales fuentes de ruido y características de las válvulas

La apertura de la válvula tiene un impacto crítico en los patrones de flujo interno. Las investigaciones muestran que en aberturas pequeñas (<30%), el fluido forma un "chorro de impacto" entre el disco de la válvula y el asiento, lo que provoca una mezcla turbulenta intensa y un ruido significativo, mientras que en aberturas grandes (> 70%), el flujo pasa a un "chorro unido a la pared". Sun Kailang estudió una válvula de bola, analizando inicialmente su comportamiento en estado estacionario en aberturas fijas y luego examinando su respuesta dinámica durante la apertura y el cierre transitorios. El estudio reveló que el aumento de la velocidad de flujo másico de entrada provocó aumentos significativos tanto en las amplitudes de fluctuación de velocidad como de presión en el centro de la válvula, mientras que una disminución en el gradiente de velocidad de apertura de la válvula provocó una reducción de los gradientes de velocidad interna y una menor turbulencia del campo de flujo. Los estudios sobre válvulas rotativas excéntricas en plantas de gasificación de carbón han demostrado que la formación de vórtice y las pulsaciones turbulentas son los contribuyentes dominantes al ruido aerodinámico La instalación de una placa de orificio reductora de ruido aguas abajo de la válvula redujo los niveles de ruido en aproximadamente 9 dB, y se logró una mayor reducción de ruido al aumentar la presión de entrada mientras se disminuye el caudal. Para una válvula de ventilación de vapor en la industria química, se observaron problemas de vibración y ruido cuando la apertura de la válvula varió de aproximadamente 0% a 60%. Liu Baiqi et al. Liu Baiqi et al. realizaron simulaciones numéricas del flujo interno y los campos acústicos en una condición de funcionamiento real con la válvula se abrió al 40%. Sus resultados revelaron la presencia de múltiples estructuras vórticas dentro del diseño original de la válvula. Las regiones con alto número de Mach dentro de los componentes internos de la válvula y la placa de orificio representaron casi el 90% del campo de flujo, con zonas de flujo supersónicas localizadas. Estas condiciones son muy susceptibles a generar fuertes ondas de choque y ruido tonal asociado. En general, los estudios existentes indican que las características del flujo interno difieren significativamente entre los tipos de válvulas. Las variaciones en la distribución de la presión, la velocidad, la intensidad de la turbulencia y la disipación de energía dentro de la válvula son los principales contribuyentes al ruido de la válvula.

Con rápidos avances en la tecnología computacional, la simulación numérica se ha convertido en una herramienta esencial para predecir el comportamiento del flujo de las válvulas y el ruido. Por ejemplo, los estudios sobre válvulas marinas de tres vías han logrado errores de predicción tan bajos como 1,85 dB. Las técnicas de simulación de ruido de válvulas han progresado desde los enfoques de Navier - Stokes (RANS) en estado estacionario hasta los métodos transitorios de alta fidelidad, incluidos los métodos de simulación de grandes remolinos (LES) y simulación de remolinos separados retardados (DDES). Los enfoques convencionales de dinámica de fluidos computacional (CFD), como el modelo de turbulencia RNG k - ε combinado con el método acústico de elementos limítrofes (BEM), pueden predecir con eficacia las características del ruido de banda ancha y la distribución de los niveles de presión sonora. Li Shuxun et al. aplicaron un modelo RNG k - ε acoplado con BEM a una válvula de control diferencial de alta presión e identificaron pulsaciones de presión en la región de estrangulamiento del cuerpo de la válvula como fuente primaria de ruido. La optimización de los parámetros estructurales redujo el nivel general de presión sonora a 51,02 dB. En el ámbito del acoplamiento multifísico, el análisis de interacción acústica-fluido-estructura (AFSI) ha surgido como un enfoque clave de investigación. Wang Qigen et al. optimizaron la estructura de la paleta guía de una válvula marina y realizaron simulaciones combinando LES con LMS Virtual.Lab. Sus resultados demostraron una reducción significativa de los niveles de presión sonora en rangos de frecuencia específicos y mejoraron la uniformidad del campo de flujo, destacando los beneficios concurrentes tanto para la mitigación del ruido como para el rendimiento hidráulico. La tabla 2 proporciona una comparación de los métodos de simulación numérica comúnmente utilizados para la predicción del ruido de la válvula.

Tabla 2. Comparación de Métodos de Simulación Numérica para Ruido de Válvula

Las tecnologías de control de ruido pasivo reducen el ruido de las válvulas alterando las estructuras de las válvulas o añadiendo componentes auxiliares. Se caracterizan por diseños sencillos, alta confiabilidad y facilidad de implementación. La tabla 3 presenta una comparación del rendimiento de reducción de ruido de diferentes tecnologías de control de ruido de válvulas pasivas.

Tabla 3. Comparación de Tecnologías de Reducción de Ruido Pasivo para Válvulas

La optimización estructural es el enfoque más utilizado para reducir el ruido de la válvula, que implica principalmente la optimización del perfil de la trayectoria de flujo y la integración de estructuras de amortiguación. Los estudios muestran que un diseño de expansión de diámetro de tres etapas, que produce una caída de presión escalonada a través del primer paso anular (sección transversal grande) y la tercera sección de tubería (sección transversal pequeña), perforaciones combinadas con que absorben el sonido en el revestimiento interior y una pared exterior aislante del sonido de doble capa, puede reducir el ruido de apertura y cierre de la válvula hasta en 15 dB. El tratamiento acústico es otro método eficaz para controlar el campo sonoro interno de las válvulas. Al integrar estructuras de tratamiento acústico en las superficies internas de la válvula, se pueden alterar la reflexión y la absorción del sonido, reduciendo efectivamente los niveles de ruido. Las técnicas comunes de tratamiento acústico incluyen el uso de revestimientos acústicos, resonadores acústicos y amortiguadores acústicos. Las placas perforadas de múltiples etapas son una solución eficaz de control de ruido pasivo. Liao Jing et al. instalaron tales placas aguas abajo de una válvula rotativa excéntrica, logrando una reducción de ruido de aproximadamente 9 dB. Los estudios comparativos de placas perforadas de una sola etapa y de múltiples etapas indican que las placas de una sola etapa son efectivas en el rango de frecuencia de 500-1750 Hz, logrando una reducción máxima del nivel de potencia sonora de hasta 14 dB. En contraste, las placas perforadas de múltiples etapas ofrecen una reducción de ruido mejorada en el rango de frecuencia de 1000-4500 Hz, logrando una reducción máxima del nivel de potencia sonora de hasta 22 dB. Los silenciadores se emplean comúnmente para mitigar la propagación del ruido de las válvulas. Dependiendo de sus mecanismos de atenuación, se pueden categorizar como silenciadores resistivos, silenciadores reactivos o silenciadores compuestos de impedancia. Los silenciadores resistivos atenúan el ruido absorbiendo energía acústica a través de materiales absorbentes de sonido y son principalmente efectivos para controlar el ruido de media a alta frecuencia. Los silenciadores reactivos reducen el ruido al reflejar e interferir con las ondas sonoras a través de cambios en la impedancia acústica, lo que los hace principalmente efectivos para el ruido de baja frecuencia. Los silenciadores compuestos de impedancia combinan los beneficios de los tipos resistivos y reactivos, proporcionando una reducción efectiva del ruido en un rango de frecuencia más amplio.

El control activo de ruido, una tecnología avanzada, explota el principio de interferencia destructiva de las ondas sonoras generando ondas secundarias con de igual amplitud y fase opuesta al ruido primario, cancelando así eficazmente el ruido no deseado. Comparado con con el control pasivo, el control activo de ruido es especialmente eficaz a bajas frecuencias y no está limitado por el espacio estructural de la válvula. La tabla 4 presenta una comparación de métodos representativos de control activo de ruido para válvulas.

Tabla 4 Comparación de Tecnologías de Control Activo de Ruido de Válvulas

A pesar de estos avances, la implementación de ingeniería del control activo de ruido todavía enfrenta varios desafíos. El primero es el desempeño en tiempo real de los algoritmos de control: técnicas avanzadas como AFX-LMS-CFPSO involucran cálculos de matriz extensos, que los DSP tradicionales encuentran difíciles de ejecutar dentro de los requisitos de latencia de menos de un milisegundo. Segundo, en condiciones operativas extremas, las vibraciones fuertes pueden llevar a fallas del sensor. Tercero, el acoplamiento de múltiples fuentes plantea un desafío: en estaciones de control grandes, el ruido de múltiples válvulas puede interactuar, lo que hace que el control convencional de un solo punto sea ineficaz.

Este artículo presenta una revisión completa de la investigación sobre dinámica de fluidos de válvulas y control de ruido. Basándose en teorías fundamentales y modelos matemáticos, detalla la comprensión actual del comportamiento del flujo de válvulas internas y resume sistemáticamente los avances en el control de ruido de válvulas, cubriendo mecanismos de generación de ruido, métodos de predicción numérica y tecnologías de control. El análisis de los estudios existentes indica que, a pesar de un progreso considerable, quedan varios desafíos, incluida la caracterización precisa de fenómenos de flujo complejos, una comprensión más profunda de los mecanismos de acoplamiento multifísico y el desarrollo de métodos de reducción de ruido más eficientes. Las investigaciones futuras deberían centrarse en técnicas de simulación de acoplamiento multifísico, el uso de aprendizaje profundo para el control de ruido de válvulas, el diseño de estructuras innovadoras de válvulas de bajo ruido, métodos avanzados de validación y pruebas experimentales, y el desarrollo de nuevos materiales y procesos para la reducción de ruido, avanzando así en el campo de la dinámica de fluidos de válvulas y el control de ruido.