Análisis CFD en Régimen Transitorio para la Determinación de Cavitación en Turbinas Helicoidales Gorlov

Palabras clave: dinámica de fluidos computacional, número de cavitación, turbulencia, turbinas helicoidales Gorlov

Resumen

Las turbinas helicoidales Gorlov pueden emplearse para generar energía eléctrica aprovechando el flujo de fluidos. Por su funcionamiento, en algunos casos, estas turbinas presentan fenómenos de cavitación que erosionan su estructura. En el presente artículo se expone una estrategia para determinar la cavitación en condiciones operacionales de turbinas helicoidales tipo Gorlov. Fundamentado en el número de cavitación o número de Thoma, se determinó el coeficiente de presión sobre los álabes de la turbina. El análisis se apoyó en técnicas computacionales. Las ecuaciones gobernantes del flujo junto al modelo de turbulencia SST k-ω bajo simulaciones en régimen transitorio, fueron resueltas al determinarse el punto de funcionamiento de la turbina y establecerse el número de cavitación. Esta estrategia sirvió para determinar el número de cavitación y, con los resultados de las simulaciones, se determinó que la turbina modelada presenta fenómenos de cavitación en las condiciones de flujo y operación estudiadas.

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.

Biografía del autor/a

Gustavo José Marturet Pérez, Universidad Politécnica Territorial del Estado Bolívar, Ciudad Bolivar, Venezuela.

Profesor Agregado en el Departamento de Mecánica del Instituto Universidad Politécnica Territorial del Estado Bolívar (UPTEB). Recibió grado de Ingeniero Mecánico en la Universidad de Los Andes, Mérida-Venezuela y Magister en Ingeniería Mecánica en la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz. Es Doctor en Ciencias de la Ingeniería UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz. Sus intereses de investigación son: Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), Modelación, Simulación y Optimización en Ingeniería, Modelos numéricos aplicables a turbinas hidrocinéticas y Mecánica de Fluidos entre otros.

Gustavo Elías Marturet García, Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela.

Economista de la Universidad de Los Andes Mérida-Venezuela. Sus intereses de investigación son: Econometría, Modelos Estadísticos, y de regresión lineal, Modelaciones bajo software R y Manejo de datos en Excel entre otros

Carlos Francisco Torres Monzón , Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela.

Departamento de Ciencias Térmicas, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes

Citas

Marturet, G. (2019). Modelación fluidodinámica de turbinas Gorlov para la mejora de su rendimiento. Tesis de Doctoral. Puerto Ordaz: UNEXPO.

Pineda-Ortiz, J. C., Chica-Arrieta, E. L. (2020). Métodos numéricos para el desarrollo de una turbina hidrocinética tipo Gorlov. Revista UIS Ingenierías, 19(3), 187-206.

Acevedo P. C., Villamizar, Y., Rolon H. A. (2018). Generalidades y aporte al estudio de las turbinas tipo Darrieus. Respuestas, 23(S1), 14-18.

Marturet G. (2012). Simulación fluidodinámica de un modelo de turbina hidrocinética tipo Gorlov. Tesis de Maestría. Puerto Ordaz:UNEXPO.

Shiono, M., Suzuki, K., Kiho, S. (2002). Output characteristics of Darrieus water turbine with helical blades for tidal current generations. In The Twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers (pp. 859-864). Kitakyushu, Japan. P.2.

Gorban, A. N., Gorlov, A. M., Silantyev, V. M. (2000). Limits of the turbine efficiency for free fluid flow. Journal of energy resources technology, 123(4), 311-317.

Niblick, A. L. (2012). Experimental and analytical study of helical cross-flow turbines for a tidal micropower generation system. Tesis de Maestría. USA: University of Washington.

Molina, A. C., Massai, T., Balduzzi, F., Bianchini, A., Ferrara, G., De Troyer, T., Bartoli, G. (2018). Combined experimental and numerical study on the near wake of a Darrieus VAWT under turbulent flows. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1037, No. 7, p. 072052). IOP Publishing.

Satrio, D., Utama, I., Pria, K. A., y Mukhtasor. (2018). The influence of time step setting on the CFD simulation result of vertical axis tidal current turbine. Journal of Mechanical Engineering and Sciences. 12(1), 3399-3409.

Durrani, N., Hameed, H., Rahman H., Chaudhry, S. (2011). A detailed aerodynamic design and analysis of a 2-D vertical axis wind turbine using sliding mesh in CFD. In 49th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition. p. 541.

Lanzafame, R., R., S. Mauro, S., Messina, M. (2014). 2D CFD modeling of H-Darrieus wind turbines using a transition turbulence model. Energy Procedia, 45,131-140.

Nedyalkov, I., Wosnik, M. (2013). Cavitation investigation of hydrofoils for marine hydrokinetic turbines. In ASME 2013 Fluids Engineering Division Summer Meeting. American Society of Mechanical Engineers Digital Collection.

da Silva, P. A. S. F., Shinomiya, L. D., de Oliveira, T. F., Vaz, J. R. P., Mesquita, A. L. A., Junior, A. C. P. B. (2015). Design of hydrokinetic turbine blades considering cavitation. Energy Procedia, 75, 277-282.

Murray, R. (2017). Predicting Cavitation on Marine and Hydrokinetic Turbine Blades with AeroDyn V15. 04. (No. NREL/TP-5000-68398). National Renewable Energy Lab. (NREL), Golden, CO (United States).

Saini, G., Saini, R. P. (2019). A review on technology, configurations, and performance of cross‐flow hydrokinetic turbines. International Journal of Energy Research. 43(13), 6639-6679.

Shinomiya, L. D., Vaz, J. R. P., Mesquita, A. L. A., de Oliveira, T. F., Brasil Jr, A. C. P., Silva, P. A. S. F. (2015). An approach for the optimum hydrodynamic design of hydrokinetic turbine blades. Revista de Engenharia Térmica, 14(2), 43-46.

Silva, P. A. S. F., Shinomiya, L. D., de Oliveira, T. F., Vaz, J. R. P., Mesquita, A. L. A., Junior, A. C. P. B. (2017). Analysis of cavitation for the optimized design of hydrokinetic turbines using BEM . Applied Energy. 185, 1281-1291.

Kumar, P., Saini, R. P. (2010). Study of cavitation in hydro turbines—A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14(1), 374-383.

Islam, M., Ting, D., Fartaj, A. (2008). Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 12(4), 1087-1109.

Molland, A. F., Bahaj, A. S., Chaplin, J. R. , Batten, W. M. J. (2004). Measurements and predictions of forces, pressures and cavitation on 2-D sections suitable for marine current turbines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment. 218(2), 127-138.

Bianchini, A., Ferrara, G., Ferrari, L. (2015). Design guidelines for H-Darrieus wind turbines: Optimization of the annual energy yield. Energy Conversion and Management. 89, 690-707.

Wilcox, D. (1993). Turbulence modeling for CFD. USA: DCW Industries.

Pope, S. (2000).Turbulent flows. UK: Cambridge. University Press.

Durbin, P., Medic, G. (2007). Fluid dynamics with a computational perspective. USA: Cambridge University Press. 2007.

Ferziger, J. H., Perić, M. (2002). Computational methods for fluid dynamics. 3rd. ed. New York: Springer.

Marturet, G. (2012). Simulación fluidodinámica de un modelo de turbinaidrocinética tipo Gorlov. Tesis de Maestría. Puerto Ordaz: UNEXPO.

Hirsch, Charles. (2007). Numerical computation of internal and external: The fundamental of computational fluid dynamics. 2nd. Ed. U.K.: Jhon Wiley & Sons.

ANSYS, I. (2009). ANSYS FLUENT 12.0. Theory Guide. ANSYS.

GAMBIT 2.4. (2004). User´s guide. CFD preprocessor. Fluent, Incorporated.

Blazek, J. (2015). Computational fluid dynamics: principles and applications. USA: Elsevier, Butterworth-Heinemann.

ANSYS, I. (2011). ANSYS FLUENT 14.0, User's Guide. ANSYS.

Satrio, D., Utama, I., K. A. Pria, K. A., Mukhtasor (2018). The influence of time step setting on the CFD simulation result of vertical axis tidal current turbine. Journal Of Mechanical Engineering And Sciences, 12(1), 3399-3409.

Chettiar, N., S. Narayan, S., Goundar, J. N., Deo, A. (2015). Design of a Gorlov turbine for marine current energy extraction. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 772, pp. 556-560). Trans Tech Publications.

W. L. Oberkampf, W. L., Trucano, T. G. (2002). Verification and validation in computational fluid dynamics. Progress in Aerospace Sciences, 38(3), 209-272.

Riglin, J., Daskiran, C., Jonas, J., Schleicher, W. C., Oztekin, A. (2016). Hydrokinetic turbine array characteristics for river applications and spatially restricted flows. Renewable Energy. 97, 274-283.

Publicado
2022-05-01
Cómo citar
Marturet Pérez, G. J., Marturet García, G. E. y Torres Monzón , C. F. (2022) «Análisis CFD en Régimen Transitorio para la Determinación de Cavitación en Turbinas Helicoidales Gorlov», Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia, 45(2), pp. 84-99. doi: 10.22209/rt.v45n2a02.
Sección
Artículos de Actualización