“La inestabilidad fluidoelástica es importante para la fiabilidad de los intercambiadores de calor”

¿Cómo explicaría el objeto de su investigación?

Mi trabajo se orienta a comprender mejor y aprovechar como fuente energética las vibraciones que se producen en tubos cuando a su alrededor fluye una corriente, por ejemplo de agua. Se conoce como inestabilidad fluidoelástica, y es un fenómeno de gran importancia para la seguridad y fiabilidad de los intercambiadores de calor, dispositivos típicos entre otros de las centrales nucleares, donde se empezó a plantear este problema.

¿Estaríamos entonces ante un nuevo aprovechamiento energético dentro de las centrales nucleares?

No. El objetivo inicial es producir energía eléctrica a partir de las vibraciones inducidas por flujos como los que se producen en estos intercambiadores, pero fuera de ellos y de las centrales nucleares. Pero antes de hablar de aprovechamiento energético es necesario conocer mejor el problema de la velocidad crítica, que se lleva estudiando desde los años 70 sin una conclusión satisfactoria.

¿En qué consiste ese escollo de la velocidad crítica?

Los tubos que están inmersos en una corriente vibran siempre, pero a partir de una velocidad del flujo la amplitud de vibración pasa repentinamente de ser despreciable (inferior al 0,5% del diámetro del tubo, por ejemplo) a convertirse en una vibración superior al 5 o el 10%. Incluso llega un momento en que los tubos chocan entre sí. Y eso, dentro de un intercambiador, hace que los tubos se rompan en un periodo muy corto. Lo que sucede es que a partir de ese valor crítico de la velocidad, el sistema pasa a ser dinámicamente inestable y tiende a amplificar las perturbaciones en lugar de disiparlas. Pero no comprendemos muy bien cuál es exactamente el mecanismo subyacente que desencadena la inestabilidad, por eso hay gran cantidad de enfoques teóricos. Y tampoco ha conseguido resolverse hasta ahora con datos experimentales, porque hay una grandísima dispersión a la hora de establecer el valor crítico, lo que se traduce en unos márgenes de seguridad sobredimensionados.

¿Cómo abordar un problema que lleva más de 40 años sin una solución satisfactoria?

Estamos poniendo a punto un modelo de simulación numérica CFD [dinámica de fluidos computacional] empleando el programa Fluent para predecir el comportamiento un haz de tubos sometido a una corriente. A continuación validamos los resultados comparándolos con las medidas de distintos ensayos experimentales, como los que hicimos con el modelo que construimos en la Escuela de Ingeniería de Gijón o los datos experimentales de Meskell sobre su modelo del Trinity College de Dublín, además de la velocidad critica experimental documentada por otros autores.

Pero desarrollar y validar un sistema de simulación es habitual en la ingeniería, ¿por qué en este caso no existe un método efectivo?

Es curioso porque no estamos hablando de una geometría muy compleja como podría ser un coche de carreras, y a priori no parece que tenga por qué ser tan complicado. Sin embargo, a la hora de simular estas geometrías, tanto en nuestro grupo como en otros centros de investigación aparece el mismo problema: en la estela que se forma detrás de la última fila de tubos, el cálculo numérico predice oscilaciones de gran magnitud que se acaban sincronizando y condicionan el patrón de flujo de todo el haz. Existe acuerdo en que estas oscilaciones las genera el software y que no se ajustan a la realidad. Respecto al motivo, quizá intenta predecir algún fenómeno y al final el cálculo degenera, el problema del cálculo CFD es que siempre te da una solución, aunque no sea la correcta. Por eso es imprescindible la validación experimental.

Así que el programa informático inducía errores…

Efectivamente. Frente a ello, la Universidad de New Brunswick de Canadá ha optado por cortar el área de simulación después de la última fila de tubos, con la desventaja que supone imponer una zona de presión constante relativamente cerca de la zona de medida. Hay que ser muy cautelosos con lo que uno impone en el cálculo porque puede influir en las mediciones, en este sentido es deseable que las condiciones impuestas se fijen lo más alejadas posible de la zona de medida. En nuestro grupo se propuso una solución alternativa, que consistió en introducir unas aletas sin fricción detrás de la zona de los tubos que ayudan a conducir el fluido a la salida sin que se produzcan oscilaciones.

Entonces intentaron engañar al complejo programa de cálculo, ¿funcionó?

Sí, conseguimos bloquear las oscilaciones y mantener la salida alejada, pero lo realmente importante es que la validación experimental fue muy satisfactoria. Comparando los resultados del modelo de simulación con las medidas de presión experimentales de Craig Meskell, los errores estuvieron siempre por debajo del 5%. Y eso supone unos resultados muy alentadores, teniendo en cuenta que se trata de una validación mucho más exigente que la velocidad critica y la gran dispersión de datos que existe en la literatura científica. Además, la validación experimental que llevé a cabo en Irlanda junto con el consejo y experiencia de mi supervisor Craig me van a ayudar a mejorar nuestro modelo.

¿Qué resultados está obteniendo respecto a la extracción de energía?

Soy muy prudente con las expectativas porque el trabajo consiste en un estudio de viabilidad y en una propuesta muy básica de un dispositivo para extraer energía eléctrica a partir de las vibraciones de los tubos. Aunque sea posible la extracción de energía, en mi opinión probablemente no sea la mejor manera de aprovechamiento energético, incluso aunque teóricamente fuera viable, por los diversos problemas técnicos que pudiera plantear en la realidad. Por ejemplo, sería un dispositivo sometido a las vibraciones, que sufría fatiga y desgaste y en definitiva tendría una vida útil más corta, quizá estaría sometido a una corriente natural con impurezas que habría que prever y tratar... Por el momento me quedo con las aportaciones al conocimiento que estamos haciendo sobre la simulación de este tipo de geometrías y la predicción de la inestabilidad fluidoelástica, sobre todo considerando los buenos resultados obtenidos en la validación experimental.

¿Qué es lo más gratificante de la investigación?

Para mí, que no es un trabajo monótono en que las cosas se hacen siguiendo un determinado método. En este sentido, es una labor en la que todos podemos hacer aportaciones, te da autonomía para probar tus ideas y si luego funcionan la satisfacción es enorme. Plantea retos permanentemente y ese estímulo intelectual te mantiene motivado y hace que vayas a trabajar contento e ilusionado. Además, estoy muy a gusto con los compañeros del Área de Mecánica de Fluidos, este trabajo me permite conocer a gente muy interesante e inteligente de los que se puede aprender muchas cosas. Uno de ellos fue mi supervisor en Dublín, Craig Meskell, una persona muy inteligente, constructiva y práctica que me ayudó mucho en mi investigación. Ya de vuelta, a menudo me sorprendo de descubrir que dan resultado algunas de sus sugerencias para abordar determinados problemas en nuestras simulaciones.