Hidráulica: turbomáquinas

La turbomaquinaria está presente en numerosos ámbitos de la ingeniería, incluyendo la generación de energía eléctrica, a través de turbinas de gas o eólicas, la propulsión de vehículos aéreos o diversos procesos industriales con turbocompresores y/o bombas hidráulicas.


Periodo

2020-2023

Sector

Fluidodinámica

Servicio

Simulación hidráulica y de turbomáquinas
PDF

CONTEXTO

Una turbomáquina es un dispositivo que establece un intercambio energético con la corriente de un fluido de trabajo mediante la acción combinada de un estator (elementos fijos) y de un rotor (elementos móviles). El proceso está dominado por un aumento o disminución de la presión que conlleva un intercambio de trabajo, positivo o negativo, con el exterior.

Para diseñar y analizar dichas máquinas las técnicas de simulación fluidodinámica Computational Fluid Dynamics (CFD) son un tipo de herramientas clave para abordar la física propia de la máquina. SOLUTE posee experiencia en la aplicación de dichas técnicas a la simulación de procesos físicos de la misma naturaleza o similar mediante los softwares del mercado más conocidos, como OpenFOAM ALTAIR-CFD o ANSYS.

La turbomaquinaria está presente en numerosos ámbitos de la ingeniería, destacando entre ellos la generación de energía eléctrica, a través de turbinas de gas o eólicas, la propulsión de vehículos aéreos o diversos procesos industriales con turbocompresores y/o bombas hidráulicas. En todos los casos un correcto diseño y un buen mantenimiento son claves para el desarrollo de sus actividades, pero la física que domina el problema no es sencilla y los ensayos o pruebas experimentales pueden resultar caras o difíciles de fabricar.

La simulación CFD emplea métodos numéricos para simular la matemática de las leyes físicas involucradas y así permitir analizar el movimiento de los fluidos y de la transferencia de calor. Este conocimiento permite un estudio en fases de diseño, desarrollo e incluso mantenimiento en servicio para lograr objetivos de mejora del rendimiento, estudios de sensibilidad, reducción de peso y costes, entre otros.


RESULTADOS

Los resultados de los cálculos incluyen numerosos parámetros que permiten evaluar el comportamiento de la máquina y juzgar si son acordes a los objetivos o existe margen de optimización. Este análisis se puede emplear tanto al final del proyecto, como en las fases de desarrollo, y para ello se deben editar Informes de cálculo que recojan todo el proceso seguido, la definición de los modelos desarrollados y los resultados con su valoración.

EXPERIENCIA

SOLUTE cuenta con una experiencia específica desde 2020 en la simulación CFD en el sector de turbomaquinaria hidráulica, basada en una sólida experiencia previa en la aplicación del análisis CFD con diversos softwares en problemas, en su mayor parte centrados en el desarrollo de automóviles: aerodinámica exterior, interior y refrigeración del motor.

Las ecuaciones de Navier-Stokes son el hilo conductor de la simulación, en las que su mayor o menor aproximación dependerán del nivel de detalle que se precise emplear.

METODOLOGÍA

La metodología se determina conociendo en primer lugar el problema a estudiar para poder determinar el mejor modelo de simulación, tipo, tamaño y calidad de malla, así como la definición de las condiciones de contorno.

Este tipo de máquinas involucra flujos externos e internos, cuyos fenómenos son altamente complejos: las geometrías de los compresores y turbinas son tridimensionales, el flujo es no estacionario y turbulento, los efectos viscosos son importantes, las escalas temporales y espaciales no son sencillas, entre otras consideraciones. Además, puede haber efectos de compresibilidad, así como interacción con otras estructuras, lo que aporta una complejidad adicional.

Las ecuaciones de Navier-Stokes son el hilo conductor de la simulación, en las que su mayor o menor aproximación dependerán del nivel de detalle que se precise emplear. Para ello los solvers permiten seleccionar aspectos clave como modelos de turbulencia, teorías de capa límite, discretizaciones espaciales/ temporales u otras simplificaciones. En la actualidad, OpenFOAM se presenta como el máximo exponente del mercado entre los investigadores por su uso libre, sin dejar de lado otros softwares comerciales como ALTAIR-CFD o ANSYS FLUENT/CFX, muy utilizados por las garantías que ofrecen. Asimismo, hay otros más específicos en función de la física concreta que se quiera estudiar, como UNCLE-M, NUMECA o ADPAC.

En cualquier caso, prima un conocimiento sólido y experimentado de la física del problema y un conjunto de buenas prácticas proporcionado por ingenieros con experiencia. Esto permite crear modelos que simplifican todos los fenómenos anteriormente descritos, escogiendo los que más afectarán al caso de interés. Se definirá un tipo de simulación, modelización turbulenta, refinamiento de malla, condiciones de contorno y características del flujo a fin de recoger la información relevante para la maquinaria estudiada.

Para ayudar a los ingenieros en el diseño de turbomáquinas de forma eficaz y segura, existen varias directrices y normas redactadas por distintas instituciones, como son las ANSI-HI del Instituto de Hidráulica (HI). Los cálculos arrojan una predicción fiable del movimiento del fluido en el interior de la turbomáquina que permiten establecer distintos puntos de diseño en función de la aplicación que se quiera dar, o bien estudiar los límites de funcionamiento para maximizar, ya sea la potencia o el coste. Está claro que los fenómenos internos son complejos, por lo que su modelización también lo es. Esto implica una descripción muy clara de los métodos de cálculo a emplear y con ello, unos resultados muy fieles a la realidad.

Eólica

Simulación aerodinámica para WRA

Las herramientas CFD (Computational Fluid Dynamics) aplicadas al análisis de recurso eólico (WRA) nos proporcionan una información más detallada del potencial eólico en un área determinada.

Automoción

Aerodinámica externa en vehículos terrestres

Análisis y estudios previos a la experimentación con prototipos, con el fin de asegurar que cada vehículo cumpla con los requisitos que garantizan los mejores resultados de eficiencia energética, emisiones y dinámica.