Perspectiva histórica de la simulación numérica del flujo en máquinas hidráulicas

En este artículo se hace un breve repaso de la evolución que ha sufrido la simulación del flujo en máquinas hidráulicas en las últimas décadas. Desde el inicio del empleo de técnicas numéricas para analizar el comportamiento del flujo en estas máquinas a principios de los años 70 del siglo pasado hasta la actualidad se han sucedido un buen número de mejoras y cambios en los paradigmas de las simulaciones que han permitido conseguir importantes progresos en el conocimiento y en el diseño de este tipo de turbomaquinaria. Se repasan los importantes cambios metodológicos experimentados desde entonces, incluyendo grados de aproximación (modelos de turbulencia y escalas resueltas), objetivos de las simulaciones planteadas, capacidades de cálculo y carga computacional de los modelos, haciendo especial hincapié en el estado actual del arte. Se concluye avanzando sobre futuros retos y reflexionando el papel que las técnicas numéricas han de tener en el diseño y análisis de las turbomáquinas hidráulicas en los próximos año

Simulación numérica del flujo en turbomáquinas hidráulicas. Estado del arte y fuentes de error. Aplicación a turbinas francis

Este artículo contextualiza el papel de la metodología de simulación numérica, Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés), como herramienta fundamental de apoyo en el proceso de diseño, optimización y análisis de turbomáquinas hidráulicas. Además de presentar una revisión del estado del arte en este campo, considerando tanto procesos estacionarios como no estacionarios, se discuten las fuentes de error, de modelado y numéricas, presentes en la simulación numérica de turbomáquinas hidráulicas. También se hace hincapié en las diferentes estrategias de modelado posibles así como en sus ventajas e inconvenientes, las cuales se ilustran en el caso particular de las turbinas Francis

Simulación numérica del flujo en turbomáquinas hidráulicas. Estado del arte y fuentes de error. Aplicación a turbinas francis

This article puts into context the role of the methodology of numerical simulation, Computational Fluid Dynamic (CFD), as the basic supporting tool in the design, optimization and analysis of hydraulic turbo machines process. Besides presenting a review of the state of art in this field, taking into account both steady and unsteady processes, sources of error, both modeling and numerical ones, found in the numerical simulation of hydraulic turbo machines are discussed. The different possible modeling strategies as well as their advantages and disadvantages, which are illustrated in the particular case of Francis Turbines, are also emphasized.Este artículo contextualiza el papel de la metodología de simulación numérica, Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés), como herramienta fundamental de apoyo en el proceso de diseño, optimización y análisis de turbomáquinas hidráulicas. Además de presentar una revisión del estado del arte en este campo, considerando tanto procesos estacionarios como no estacionarios, se discuten las fuentes de error, de modelado y numéricas, presentes en la simulación numérica de turbomáquinas hidráulicas. También se hace hincapié en las diferentes estrategias de modelado posibles así como en sus ventajas e inconvenientes, las cuales se ilustran en el caso particular de las turbinas Francis

Simulaciones de Fluidos con CFD Aplicadas a Interpretar el Aprovechamiento de la Energía Oceánica en Sistemas OWC

El presente trabajo es la descripción de la secuencia metodológica de procesos que concluye con los resultados obtenidos a través de simulación computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) para el aprovechamiento de energía oceánica. El campo de aplicación de las herramientas CFD posee innumerables opciones para su utilización en recursos renovables, aquí nos centraremos en el método denominado de columna de agua oscilante, OWC (Oscillating Water Column), en el cual convierte la energía de las olas en energía neumática para ser convertida en mecánica a través de una turbina reversible. Para que los resultados obtenidos fuesen reconocidos por la comunidad científica internacional se opto por el análisis de un sistema en particular correspondiente al comportamiento del grupo turbinado para el ciclo sinusoidal que describen las olas, desarrollando el modelo físico y numérico de la turbina; el cual ha sido modelizado mediante condiciones de contorno estacionarias y posteriormente validado a través de resultados de publicaciones correspondientes a instalaciones experimentales

Simulación numérica de turbinas FrancisAlternativa eficaz

Este proyecto consiste en la simulación numérica de una turbina Francis. Básicamente lo que se hizo fue a partir de unos planos de una turbina existente, se crea las geometrías en 3D con ayuda de algún programa CAD, para este caso se usó el Solid Edge. Cada uno de los componentes fue diseñado por aparte para luego crear con todos estos el ensamble en conjunto de la máquina. De los componentes de esta turbina Francis (carcasa espiral, alabes directrices, rotor y tubo de aspiración) lo único que no estaba presente era el tubo de aspiración. Para poder tener la máquina completa se tomó el caso similar (condiciones de trabajo en relación al caudal y la cabeza) de una turbina que ya había sido analizada y se adaptó con las dimensiones adecuadas para que ensamblara con la mayor precisión posible en la turbina de este trabajo. Una vez diseñada toda la turbina se pasa al mallado de las piezas, que también se realiza de forma independiente. Este es el proceso mas largo debido a la búsqueda precisa entre la fineza de la malla (número de nodos) y la capacidad de cálculo del ordenador. Y por ultimo viene la parte de la simulación. Se usa el programa CFX se ensamblan las mallas de los componentes de la turbina, se crean las condiciones de contorno (caudal, presión, velocidad, etc.) en las cuales va a trabajar la turbina y se pone a correr el cálculo de la simulación. Este proceso se hizo para diferentes valores de caudal con el fin de obtener como resultado el comportamiento de la turbina a través de la predicción de su curva característica, el cálculo de pérdidas y la presencia de cavitación en el sistemaTrabajo de grado (Ingeniero Mecánico)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2008PregradoIngeniero(a) Mecánico(a

Simulación hidrodinámica de una turbina tipo hélice de 2KW de potencia

En el presente proyecto se da a conocer el procedimiento utilizado para realizar una simulación hidrodinámica de una turbina tipo hélice de 2kW de potencia y 3 álabes, aun ..3/ salto de 4.. y un caudal de 0,12 /.. de agua, con el fin de validar los valores teóricos, que han sido calculados con anterioridad y de este modo determinar la eficiencia de la turbina y recomendaciones de mejora. El proyecto se realiza en el grupo de Modelado Avanzado y diseño digital-Materiales Avanzados y Energía (MATyER-CADD) del ITM en conjunto con el Grupo de Energías Alternativas de la Universidad de Antioquia (GEA-UdeA). El proceso de simulación numérica se realiza con el software ANSYS CFX 16.0®. Para el desarrollo del proyecto fue necesario realizar la simulación para 2 geometrías diferentes, con el fin de conocer el valor a condiciones reales de diseño, y conocer el valor más cercano a partir de un diseño teórico, el cual permite una mayor exactitud en el análisis, a partir del cálculo de las ecuaciones de Navier-Stokes. Para el primer diseño se encuentra un error del 20% aproximadamente, para el valor del torque generado por la simulación respecto al calculado teóricamente. Para el segundo se encuentra un error del 5% aproximadamente, siendo mucho más cercano al valor teórico, ya que la geometría permite obtener un mejor análisis por su diseño. En conclusión, se encuentra que el proyecto es coherente y los resultados son satisfactorios. Queda por validar el modelo numérico obtenido, respecto al funcionamiento real (CFD vs Experimental)Ingeniero Electromecánicopregrad

Metodología de optimización numérica multi-objetivo y de simulación numérica de la interacción fluido-estructura del desempeño de un agitador con impulsor PBT variando ángulo, altura y velocidad de rotación utilizando ANSYS CFX, MECHANICAL y DESIGN EXPLORER

Los tanques agitadores son ampliamente utilizados en diferentes industrias, en donde la eficiencia de las operaciones de mezclado tiene un impacto tanto en los costos como en la calidad del proceso, si a esto se le añade que para poder mantener la competitividad en el mercado, el tiempo de desarrollo del producto debe ser el menor posible y a un bajo costo, por ese motivo es necesario optar por nuevas formas para realizar nuevos diseños. En muchas empresas fabricantes de gran envergadura, el uso software de optimización se está convirtiendo en una herramienta ideal para conseguir estos objetivos. En este trabajo se utilizó las herramientas computacionales ANSYS CFX, MECHANICAL y DESIGN EXPLORATION para realizar una metodología que permita realizar la simulación numérica tanto a nivel de fluidos y estructural como para realizar la optimización de un modelo de tanque agitador. Para la elaboración de este procedimiento se optó por variar en un rango determinado ciertos parámetros geométricos y de funcionamiento. En el estudio fluido dinámico se trabajó tres fluidos: agua, metanol y aire, en donde los dos primeros se modelaron como “multicomponentes” es decir como fluidos miscibles, mientras que la interacción con el aire se modelo como “superficie libre”. Para esto, se utilizó el modelo de turbulencia SST (Shear Stress Transport), el cual demostró en un estudio anterior ser el que más se ajusta al ser contrastado con resultados experimentales, además se empleó los modelos de “marco de referencia móvil (MRF)” y de “Frozen Rotor” para tratar la interacción entre las partes móviles (rotor) y partes estáticas (tanque y deflectores). Para el análisis estructural se utilizó la metodología de interacción fluido-estructura (FSI) del tipo “unidireccional (one-way)” para determinar los esfuerzos y deformaciones en cada diseño. Finalmente, se utilizó el método de la superficie de respuesta (RSM) como base para la optimización, donde se utilizó un algoritmo estocástico (MOGA) como buscador de soluciones óptimas en el modelo del tanque agitador parametrizado, el cual consta de tres variables de entrada (ángulo de alabe, altura de impulsor y velocidad de rotación) y dos funciones objetivos: maximizar grado de mezcla y minimizar la potencia consumida. El presente estudio demuestra que la velocidad y el ángulo son los parámetros más incidentes en las funciones objetivas mencionadas anteriormente y que al variar estos parámetros se pueden obtener mejoras significativas en los resultados. En este estudio en particular se encontró que el ángulo de 60 grados y una altura de 300mm con respecto al tanque, mejora en un 8% y 36% el consumo de potencia y grado de mezcla respectivamente, para las configuraciones del tanque dadas.Tesi

Ingeniería de máquinas : discurso de ingreso [en la Real Academia de Ingeniería] del Excmo. Sr. D. Jaime Domínguez Abascal y contestación del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez

En el discurso se reivindica el papel actual de la ingeniería mecánica como impulsora del desarrollo de las máquinas. Comienza con una breve exposición de la evolución de las máquinas a lo largo de la historia y su influencia en el desarrollo económico y social. Igualmente, señala la importancia de otras áreas de la ingeniería en el desarrollo de las máquinas actuales y el carácter multidisciplinar del diseño y desarrollo de las máquinas actuales. Ante la nueva situación, el discurso analiza el papel que desempeña actualmente la ingeniería de máquinas. Asimismo, comprueba que la aportación de otras disciplinas ha llevado a la concepción de máquinas con soluciones, más eficientes y eficaces, que requieren nuevos avances de la ingeniería de máquinas. Finalmente, se muestran diversos ejemplos significativos de los avances requeridos para el diseño de las máquinas actuales, entre los que destacan los relativos al análisis dinámico y a la fatiga. Entre los problemas dinámicos, se analizan los casos del comportamiento de sistemas multicuerpos con holgura o sujetos a impactos, y la detección de grietas en rotores mediante la medida de vibraciones. Del análisis del comportamiento a fatiga, se destaca la importancia de la aplicación conjunta de la mecánica de la fractura y el método de las deformaciones locales, especialmente para el análisis del comportamiento de grietas microestructuralmente pequeñas

Aerodinámica, turbulencia y combustión no premezclada en quemadores de flujo rotante

Los quemadores de flujo rotante juegan un papel fundamental en la industria y en concreto en las turbinas de gas, ya que permiten la estabilización de la llama con dosados pobres, lo que haría factible disminuir las emisiones de NOx y el consumo de combustible. Además, producen poca pérdida de carga y hollín lo que reduce las tareas de mantenimiento. A pesar de ser una de las configuraciones más empleadas por su sencillez y seguridad, actualmente, no existe una clara metodología ni para la simulación ni para la validación de la combustión no premezclada en flujos turbulentos, lo que resalta el carácter innovador de este trabajo.Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánic

Análisis de la combustión en un quemador de turbina de gas mediante la aplicación del modelado CFD

[ES] En este TFM se lleva a cabo el análisis de la combustión en un quemador de turbina de gas mediante la aplicación del modelado de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Dada la complejidad y coste económico que supone trabajar con cámaras de combustión de turbinas de gas reales, se va a emplear el quemador académico KIAI de CORIA para las simulaciones CFD. Debido a la normativa medioambiental existente, focalizada en reducir las emisiones contaminantes, se va a hacer uso de un quemador basado en el concepto Lean Direct Injection (LDI), centrado en reducir las emisiones NOx de la combustión. El cálculo CFD de las simulaciones se va a llevar a cabo mediante CONVERGE, considerando el planteamiento RANS para modelar la turbulencia. A partir del caso inerte, se acondicionará la ignición de la mezcla y se seleccionará un mecanismo cinético-químico reducido para optimizar los tiempos de cálculo. Finalmente, se analizará la combustión mediante la configuración de una estrategia de postprocesado, a partir de la cual se obtendrán los campos de velocidad, temperatura y las especies generadas por los procesos de combustión.[EN] In this TFM, the analysis of combustion in a gas turbine burner is carried out by applying Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling. Given the complexity and economic cost of working with real gas turbine combustion chambers, CORIA's KIAI academic burner will be used for CFD simulations. Due to existing environmental regulations, focused on reducing polluting emissions, the Lean Direct Injection (LDI) concept will be used, focused on reducing NOx emissions from combustion. The CFD calculation of the simulations will be carried out using CONVERGE, considering the RANS approach for turbulence modelling. From the inert case, the ignition of the mixture will be conditioned and a reduced kinetic-chemical mechanism will be selected to optimize the calculation times. Finally, combustion will be analyzed by configuring a post-processing strategy, from which the fields of speed, temperature and the species generated by the combustion processes will be obtained.[VA] En este TFM es du a terme l'anàlisi de la combustió en un cremador de turbina de gas mitjançant l'aplicació del modelatge de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD). Donada la complexitat i cost econòmic que suposa treballar amb cambres de combustió de turbines de gas reals, es va a emprar el cremador acadèmic KIAI de CORIA per a les simulacions CFD. A causa de la normativa mediambiental existent, focalitzada a reduir les emissions contaminants, es va a fer ús d’un cremador basat en el concepte de Lean Direct Injection (LDI), centrat en reduir les emissions NOx de la combustió. El càlcul CFD de les simulacions es va a dur a terme mitjançant el codi CONVERGE, considerant el plantejament RANS per a modelar la turbulència. A partir del cas inert, es condicionarà la ignició de la mescla i es seleccionarà un mecanisme cinètic-químic reduït per a optimitzar els temps de càlcul. Finalment, s'analitzarà la combustió mitjançant la configuració d'una estratègia de postprocessament, a partir de la qual s'obtindran els camps de velocitat, temperatura i les espècies generades pels processos de combustió.Gómez-Arias Mateos, LL. (2021). Análisis de la combustión en un quemador de turbina de gas mediante la aplicación del modelado CFD. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/174617TFG