Diseño y estudio numérico de turbina hidrocinética de baja potencia

Abstract

En una turbina hidrocinética el flujo del cual se extrae la energía rodea por completo a la turbina y la energía aprovechable viene de parte de la energía cinética de la corriente. El objetivo general del presente trabajo radica en el diseño y estudio numérico de una turbina hidrocinética de baja potencia mediante CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). El alcance contempla el diseño de una turbina hidrocinética mediante la aplicación de las teorías conocidas en la rama de la Mecánica de los Fluidos y de la Mecánica Computacional, incluyendo el diseño de álabes, el cubo, y la carcasa, junto con su estructura de sujeción que la mantiene inmersa en el fluido. Son realizadas simulaciones tridimensionales mediante el uso del software ANSYS 19.0, con el objetivo de la estimar las cargas de diseño y determinar las condiciones nominales de operación, incluyendo resultados en régimen estacionario y no estacionario. Los resultados obtenidos con el modelo de turbulencia k-ε Realizable, en combinación con el algoritmo de cálculo SIMPLEC, y la utilización de mallas estructuradas y no estructuradas que involucran dominios estancos y rotantes permiten predecir la potencia, par y cargas de arrastre sobre la estructura.

In a hydrokinetic turbine, the flow surrounds the turbine completely and the turbine converts its kinetic energy to mechanical power. The general objective of this work lies in the design and numerical study of a low power hydroelectric turbine using CFD (Computational Fluid Dynamics). The scope includes the design of a hydroelectric turbine by applying the theories known in the branch of Fluid Mechanics and Computational Mechanics, comprising vanes, hub and casing design. Three- dimensional simulations are carried out using ANSYS 19.0 software, with the aim of estimating the design loads and determining the nominal operating conditions, including results of steady and transient computations. Results are obtained with the k-ε Realizable turbulence model and the SIMPLEC calculation algorithm, in structured and unstructured meshes, which involve stationary and rotating domains. Power, torque and drag loads on the structure are computed.