Experimental investigation of induced cavitation on perforated plates

Perforated plates are devices commonly used in hydraulic systems to achieve a pressure reduction by forcing the flow to pass through a constriction. They can be employed individually to uniformize and regulate the flow, or in combination with valves or pumps, to improve their resistance to cavitation. Cavitation is a hydrodynamic phenomenon that occurs, within a fluid, when the local pressure drops below the vapor pressure at the operating temperature, leading to the formation and the subsequent implosion of vapor bubbles. This process generates noise and intense shock waves, which can damage pipelines and mechanical components. This master's thesis investigates the hydrodynamic behavior of four different single-hole perforated plates, with respect to hydrodynamic cavitation. This study combines experimental results obtained through conventional methods, such as pressure, flow rate, and acceleration measurements, with direct visualizations of the phenomenon. The perforated plates studied are characterized by having the same hole diameter but different thicknesses. They were manufactured from transparent Plexiglass, enabling direct visualization of the cavitation. An experimental campaign was conducted, collecting synchronized 4-20 mA signals and high-frequency images of the phenomenon, to assess the influence of orifice plate thickness on cavitation development. The experimental results were used to characterize the hydrodynamic behavior of the different devices, while the acquired images, analyzed using various techniques, provided insights into the cavitation evolution and main flow structures. Thanks to the extensive experimental campaign, this work provides a detailed description of cavitation behavior across different perforated plates, demonstrates strong agreement between conventional measurements and image analysis, and proposes an original approach to the study of this phenomenon. The findings serve as a robust foundation for future research involving flow visualization in cavitating flow regimes.

I piatti forati sono dispositivi comunemente utilizzati nei sistemi idraulici per ridurre la pressione, costringendo il flusso a passare attraverso una strozzatura. Possono essere impiegati singolarmente per uniformare e regolare il flusso, oppure con valvole o pompe, per aumentarne la resistenza alla cavitazione. La cavitazione è un fenomeno idrodinamico che si verifica all’interno di un fluido quando la pressione locale scende al di sotto della pressione di vapore alla temperatura di esercizio, portando alla formazione e alla successiva implosione di bolle di vapore. Questo processo genera rumore ed intense onde d’urto, in grado di danneggiare tubazioni e componenti meccaniche. Il presente lavoro di tesi magistrale analizza il comportamento idrodinamico di quattro diversi piatti forati a foro singolo, in relazione al fenomeno della cavitazione idrodinamica. Questo studio combina risultati sperimentali - ottenuti attraverso metodi convenzionali, come misure di pressione, portata, e accelerazione - con la diretta visualizzazione del fenomeno. I Piatti Forati oggetto di studio sono caratterizzati dall'avere stesso diametro del foro e differenti spessori. Sono realizzati in Plexiglass trasparente, in modo da consentire la visualizzazione della cavitazione. È stata condotta una campagna sperimentale che ha permesso di acquisire segnali in 4-20 mA e immagini ad alta frequenza del fenomeno, con l’obiettivo di analizzare l’influenza dello spessore sullo sviluppo della cavitazione. I risultati sperimentali sono stati utilizzati per caratterizzare il comportamento idrodinamico dei diversi dispositivi, mentre le immagini acquisite — analizzate mediante diverse tecniche — hanno fornito indicazioni significative sull’evoluzione della cavitazione e sulle principali strutture di flusso. Grazie all’ampia campagna sperimentale, questo lavoro fornisce una descrizione dettagliata del comportamento della cavitazione dei diversi piatti forati, dimostra una forte concordanza tra le misure convenzionali e l’analisi delle immagini, e propone un approccio originale allo studio di questo fenomeno. Le evidenze emerse rappresentano una solida base per future ricerche che coinvolgano la visualizzazione del flusso in regimi cavitanti.