Se han publicado recientemente dos artículos científicos en la revista «Journal of Fluids and Structures» en los que se describe el trabajo realizado.
Este artículo se publicó originalmente el 7 de septiembre de 2022.
No hay muchas empresas de válvulas en el mundo que puedan presumir de haber publicado artículos revisados por pares en revistas científicas.
Sin embargo, tras un estudio conjunto en el que han colaborado el sector industrial y el mundo académico, Master Flo puede afirmar ahora que es uno de ellos.
El estudio, impulsado por unos colapsos inexplicables del ajuste de estrangulamiento en válvulas de control que estaban en servicio en aplicaciones de alto caudal de gas en alta mar, ha aportado algunas conclusiones prometedoras.
«Los resultados han revelado fenómenos de flujo que hasta ahora desconocíamos y suponen un avance en el conocimiento de este campo y de la ciencia en general», afirma Frank Koeck, director general de Master Flo USA y uno de los autores del estudio.
Para Koeck, el problema que abordan el estudio y los estudiantes que lo dirigen le ha dejado perplejo desde que se topó con él por primera vez.
«Ya lo observé al principio de mi carrera, hace 25 años: fallos inexplicables de naturaleza similar, con una geometría similar, válvulas de tamaño similar y caudales similares», señala Koeck. «Hace 25 años, la capacidad para analizar (el problema) era limitada. Solo podíamos llegar hasta cierto punto, limitándonos a realizar mediciones empíricas y a especular sobre las causas a partir de los datos reales obtenidos».
Pero sin duda las cosas han avanzado mucho en las últimas dos décadas y media. Sobre todo en cuanto a la potencia de cálculo.
El análisis que se llevó a cabo a lo largo del estudio se realizó utilizando el clúster de supercomputación de la Universidad de Houston. En el caso de uno de los artículos, que examinaba el flujo incompresible a través de una válvula de estrangulamiento, cada simulación ejecutada en el clúster tardó siete horas. Si la simulación se hubiera ejecutado en una CPU independiente, habría tardado 49 días.
En el segundo artículo, dedicado a un estudio sobre el flujo compresible a través de una válvula de estrangulamiento, las simulaciones resultaron mucho más exigentes.
Cada una de ellas tardó más de 50 días en ejecutarse en el clúster, lo que equivale a 8 554 días de tiempo de CPU individual.
Una vez realizado el análisis, Koeck afirma que llegó el momento de validar los resultados.
«Diseñamos y construimos un modelo acrílico a escala real y observamos el flujo mediante la técnica de velocimetría de imágenes de partículas (PIV)», explica. «Esto consistió en “sembrar” el flujo con partículas casi ingrávidas que permanecieran en suspensión mientras fluían. Un láser iluminaba estas partículas a medida que fluían a través del modelo, y una cámara de alta velocidad captaba imágenes a una velocidad de 400 fotogramas por segundo».
Trever Gabel, coautor del estudio, monta el modelo experimental de acrílico facilitado por Master Flo.
Los vídeos obtenidos con la cámara de alta velocidad proporcionaron la validación que Koeck y el equipo de investigación necesitaban para que se publicaran sus artículos y para llevar los conocimientos actuales sobre el estrangulamiento a un nuevo nivel.
Al frente del equipo de investigación se encontraba Harsa Mitra, estudiante de máster en ingeniería de la Universidad de Houston, que pasó a formar parte de la plantilla de Master Flo mientras completaba la exposición de su tesis sobre el tema en cuestión. Dos investigadores principales le ayudaron a orientarse a lo largo del estudio: el Dr. Kamran Alba, experto en dinámica de fluidos, y el Dr. Rodolfo Ostilla Mónico, experto en análisis numérico. El estudiante de grado Trevor Gabel, junto con Dan Williams, director de ingeniería de Master Flo USA, completaron la lista de autores.
El investigador principal, Harsa Mitra, a la izquierda, y el Dr. Kamran Alba, experto en dinámica de fluidos.
«Estoy muy satisfecho con el trabajo que han realizado y orgulloso de nuestros estudiantes», afirmó Koeck. «Nosotros aportamos la financiación, que no fue insignificante, diseñamos tanto los modelos analíticos como los de ensayo físico y ayudamos a redactar los informes. Pero el análisis numérico propiamente dicho lo llevaron a cabo Mitra y el resto del equipo. Fue muy genero por su parte incluirnos (a Dan y a mí) como coautores en este trabajo».
Curiosamente, ese problema inexplicable —al menos en lo que respecta al fallo del sistema de ajuste del estrangulador— ya había sido resuelto por Williams y el equipo de ingeniería. Diseñaron un sistema de ajuste multipuerto y multimetal que, hasta la fecha, no ha presentado ningún fallo posterior en esta aplicación específica de gas en alta mar a alta tasa.
Sin embargo, averiguar por qué ocurrió seguía siendo un objetivo importante, tanto desde el punto de vista científico como empresarial.
«No teníamos por qué hacer esto», afirma Koeck. «Es una oportunidad para crear algo mejor y más grande, para sacar partido de la situación que ha dado lugar a esta oportunidad. No teníamos por qué hacer el análisis, pero podemos hacerlo, y nuestro cliente lo interpretará como una medida proactiva que hemos tomado por iniciativa propia para demostrar que somos expertos en lo que hacemos».
«Estamos a la vanguardia de la tecnología en nuestro campo y comprendemos lo que realmente ocurre, no solo la ingeniería mecánica en sí misma —no se trata simplemente de metal inerte—, sino que comprendemos la dinámica de los flujos en torno al producto que fabricamos».
Entonces, ¿se avecina un «superchoke»? No necesariamente, afirma Koeck, aunque podría resultar beneficioso explorar un diseño diferente del «choke» y, posiblemente, los materiales utilizados en su fabricación, en lo que respecta a las aplicaciones de gas de alto caudal en alta mar.
«Esa es nuestra recomendación tras esta investigación», concluyó Koeck. «Sin duda, a partir de este estudio podemos deducir qué se debe y qué no se debe hacer en cuanto al diseño».