Modelado y simulación del flujo en una turbina Kaplan mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

RESUMEN: El objetivo principal de este trabajo de fin de grado se focaliza en el empleo de la simulación numérica para el estudio del comportamiento del flujo que atraviesa el rodete de una turbina hidráulica axial tipo Kaplan, así como llegar a la obtención de la eficiencia de esta, como parámetro fundamental de un correcto diseño. Para ello se propone, de forma simplificada, un enfoque didáctico sobre el análisis de turbinas hidráulicas mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD). Se incluye en primer lugar un análisis de la ingeniería de turbomáquinas, en el, se explican los fundamentos teóricos que definen la física de su comportamiento y diseño de este tipo de máquinas, focalizándose en las máquinas hidráulicas. Además de las características de las centrales en las que operan las turbinas hidráulicas. Con el fin de realizar un análisis y proyección de turbinas hidráulicas, se realizará un modelo de rodete que cumpla con los requisitos operativos y de suministro para ser instalado en un determinado aprovechamiento hidroeléctrico. Se realiza una introducción, previa a la realización de la simulación y análisis de resultados, sobre la metodología y modelos para la implementación de la computación numérica de fluidos. Finalmente, mediante el empleo del software comercial Autodesk Inventor Professional se realizará el modelo de la geometría del rodete. La adaptación de la geometría del modelo al estudio mediante CFD y su mallado se realiza con las herramientas proporcionadas por el software comercial Ansys, exportándose finalmente al código CFD Ansys-Fluent, para la obtención y análisis numérico de los resultados.

ABSTRACT: The main purpose of this Final Thesis is focused on numerical simulation for the flow analysis through a designed hydraulic Kaplan turbine runner and determine the main operating conditions as the turbine efficiency. For that purpose, in the presented paper it has been developed a simplified didactic approach about computational fluid dynamics (CFD) techniques for operating behaviour analysis of fluid-flow machinery as the hydraulic turbines. First, it is included a turbomachinery engineering analysis on which it is included the theoretical basics which define the operation and support the design process of this type of fluid-flow machinery. Also, it is mentioned the characteristics of hydropower plants where defined turbines operate. With the aim of carry out an analysis and design of a hydraulic turbine, on this paper will be developed a Kaplan runner model to accomplish with the features and requirements to be installed in the selected hydropower plant. On the other hand, CFD technique basics for numerical analysis of fluid-flow and turbine operating behaviour determination will be introduced. The designed model will be developed by Autodesk Inventor Professional software. Fluid-flow conduction modelling and meshing will be carried out using the Ansys commercial software. Finally, numerical simulation and analysis through the turbine is investigated using the CFD code, Ansys-Fluent.