Mejores herramientas de análisis para turbomáquinas hidroeléctricas y hélices marinas
En la actualidad, la dinámica de fluidos computacional (DFC) se usa ampliamente en el diseño de equipos hidráulicos para proyectos que requieren energía hidroeléctrica. La DFC, que en su momento fue una herramienta especializada del sector aeroespacial, es ahora una herramienta indispensable para aumentar el rendimiento y reducir los costes de la maquinaria hidráulica. Las aplicaciones de la DFC van más allá del diseño de turbinas, ya que también detectan e identifican problemas de funcionamiento del sistema hidráulico en máquinas existentes. El proyecto ACCUSIM, financiado con fondos europeos, se puso en marcha para desarrollar herramientas y métodos numéricos fiables para el análisis detallado de flujos turbulentos a fin de facilitar el diseño de una maquinaria hidráulica y unas hélices marinas potentes. «La modelización numérica y el análisis de flujo de hidroturbinas, bombas y hélices marinas ofrecen medios para identificar la causa del problema y desarrollar alternativas, y reducen el número de ruedas motrices del tamaño del modelo y el coste de las pruebas de rendimiento de la maquinaria hidráulica», apunta el doctor Aljaž Škerlavaj, coordinador del proyecto. Modelización avanzada de la maquinaria giratoria En los últimos quince años, el desarrollo de métodos numéricos eficaces y fácilmente aplicables para las simulaciones de flujo ha aumentado considerablemente. Los modelos de análisis de flujo de las piezas giratorias y no giratorias, junto con unas plataformas de computación más potentes, permitieron el análisis acoplado de la turbina en su totalidad en un período de tiempo razonable. Los modelos avanzados de turbulencias en flujos irregulares permitieron a los investigadores obtener predicciones numéricas acordes con los resultados experimentales. Aunque las vanguardistas simulaciones de DFC se basan principalmente en los modelos de turbulencias RANS (Navier-Stokes con el promedio de Reynolds), ciertas clases de flujos encajan mejor en modelos que resuelven parte del espectro de turbulencias en, al menos, una porción del dominio numérico del flujo. Dichos métodos se denominan modelos de simulación de resolución de escalas. Los investigadores del proyecto se centraron concretamente en la modelización de flujos turbulentos irregulares y efectos de cavitación en turbinas Francis y turbinas axiales que utilizan modelos de turbulencias de resolución de escalas. Hasta ahora, estas turbinas se habían diseñado con simulaciones en régimen estacionario, ya que las simulaciones transitorias requerían un esfuerzo computacional considerable. El fenómeno de la cavitación hace referencia a la formación de cavidades de vapor en zonas líquidas con una presión baja. En hélices y bombas, la cavitación produce una gran cantidad de ruido, daños, vibraciones y pérdida de eficacia. La aplicación de modelos calibrados de cavitación resultó clave para obtener predicciones precisas del flujo de cavitación en turbinas hidráulicas y hélices marinas. Actividades de difusión El equipo de ACCUSIM participó en dos talleres de casos de prueba. El primero fue un taller sobre la predicción de la cavitación y el rendimiento de la hélice en un flujo oblicuo. Se concedió a los investigadores acceso a la geometría y a las condiciones de frontera e iniciales necesarias. El segundo taller fue el primero de una serie de tres talleres en los que los investigadores participaron en experimentos abiertos. Se concedió a los investigadores acceso al conjunto de datos completo del diseño de una turbina Francis. El primer taller se centró en la modelización del funcionamiento estacionario de la turbina, mientras que los otros dos analizaron las condiciones de funcionamiento transitorio, como la variación de carga y el proceso de arranque-parada, y la interacción entre fluido y estructura. Al emplear códigos de DFC de uso general, como ANSYS CFX y OpenFOAM, el equipo del proyecto consiguió generar uno de los conjuntos de datos de simulación más precisos en ambos talleres: para la hélice, datos sobre la forma del patrón de cavitación y el empuje del propulsor; y para la turbina, datos sobre la eficacia, la carga hidráulica, el caudal másico y las predicciones de par. Los resultados de ACCUSIM se difundieron en muchas publicaciones dirigidas a la comunidad científica. Para llegar al público, se dieron conferencias en escuelas, seminarios, charlas y cursos de verano. Más información en el sitio web del proyecto.
Palabras clave
ACCUSIM, dinámica de fluidos computacional (DFC), turbina hidráulica, simulación de resolución de escalas, ANSYS CFX, OpenFOAM
