Simulación tridimensional transitoria de flujo turbulento en configuraciones de interés industrial

Abstract

En este trabajo se presenta la simulación transitoria del flujo turbulento para dos configuraciones de interés industrial, una para flujo interno y otra para flujo externo. La primera se centra en la simulación tridimensional transitoria del flujo bifásico turbulento de un sistema consistente en un codo de tubería de 90º que conecta un tramo horizontal con uno vertical. Como es conocido, en el codo se desarrolla un flujo secundario bien definido que afecta el movimiento de las partículas. Debido a su inercia, las partículas tienden a acumularse en la pared externa del codo formando regiones de alta concentración local denominadas vetas o ropes, en inglés. Adicionalmente, éstas responden a las estructuras turbulentas coherentes transitorias que se desarrollan en el flujo, produciendo una fluctuación de la veta de partículas que puede observarse experimentalmente pero que hasta el momento no se ha descrito numéricamente. Se abordó la descripción del fenómeno de la fluctuación de la veta de partículas desde un punto de vista numérico utilizando un software comercial (ANSYS Fluent) y un software específico co-desarrollado en el grupo de investigación en mecánica de fluidos (FASTEST-lag3d). Los resultados se compararon y validaron frente a los resultados experimentales de Huber y Sommerfeld1. La segunda configuración de flujo abordada en este trabajo se centra en el diseño y simulación transitoria del flujo turbulento tridimensional alrededor de una turbina marina de flujo cruzado (CFWT). Además de la configuración estándar de una turbina tipo Darrieus de palas rectas (o tipo H) se consideró un rediseño innovador consistente en añadir winglets en los extremos de las palas para reducir la intensidad del vórtice desprendido en punta de pala, con el fin de aumentar la eficiencia de la turbina, de manera similar a lo que sucede en las alas de los aviones. Se realizaron dos propuestas diferentes para los winglets (simétrico y asimétrico respecto de la punta de la pala) cada una de ellas dando lugar a un diseño diferente. El rendimiento de los rediseños se evaluó y se comparó con el correspondiente a la configuración estándar, el cual se tomó como referencia. Los cálculos se realizaron con el software comercial ANSYS-Fluent. Asimismo se analizó la influencia de diferentes modelos de turbulencia en los resultados obtenidos. Los resultados computacionales mostraron que la adición de los winglets en la punta de la pala aumenta la eficiencia de la turbina (hasta un 24%) y podrían considerarse como una alternativa viable en el diseño de las turbinas marinas de flujo cruzado