Cfd Banki-Ariel Marchegiani
4
-
Upload
arielbanki -
Category
Documents
-
view
54 -
download
2
Transcript of Cfd Banki-Ariel Marchegiani
Comitê Diretor do CERPCH
Editorial
Director Committee
Editorial
Ivonice Aires [email protected]
Geraldo Lúcio Tiago Fº[email protected]
Gilberto Moura Valle [email protected]
Patrícia Cristina P. [email protected]
Célio [email protected]
Hélio Goulart Jú[email protected]
José Carlos César [email protected]
Antonio Marcos Rennó [email protected]
Alessandra Campos C. de [email protected]
Geraldo Lúcio Tiago FilhoFabiana Gama Viana
Camila Rocha Galhardo eFabiana Gama Viana
Orange DesignAdriano Silva Bastos
Adriana CandalCidy Sampaio da Silva ePaulo Roberto Campos
Helmo Lemos
Presidente
Secretário Executivo
CEMIG
Fapepe
IEE/USP
FURNAS
IME
Eletrobrás
ANEEL
EditorJornalista Resp.
Redação
Projeto GráficoDiagramação e Arte
Tradução
Equipe Técnica
Pesquisa
PCH Notícias & SHP Newsé uma publicação trimestral do CERPCH
The PCH Notícias & SHP Newsis a three-month period publication made by CERPCH
Tiragem/Edition: 4.500 exemplares/issues
Av. BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho,Itajubá - MG - Brasilcep: 37500-903e-mail: [email protected]
Tel: (+55 35) 3629 1443Fax: (+55 35) 3629 1265
02 03
ISSN 1676-0220
Prezados leitores
Estimular e desenvolver projetos de
cunho social que visam à universalização
do acesso à energia elétrica. Esse é um
dos objetivos do Centro Nacional de
Referência em Pequenas Centrais
Hidrelétricas (CERPCH) que, desde sua
criação, vem desenvolvendo projetos
que buscam o desenvolvimento
econômico e social de comunidades
rurais e/ou isoladas em todo o Brasil, em
especial, na Região Amazônica. Neste contexto, a 30ª edição da
Revista PCH Notícias & SHP News
apresenta três projetos desenvolvidos
p e l o C E R P C H , q u e v i s a m à
universalização, mostrando o interesse
do Centro em desenvolver trabalhos de
cunho social. Além disso, nesta edição, é
dado destaque ao projeto 'Boa
Esperança: BFT/MIG', também de
grande importância social e que vigora
entre os cinco projetos mais importantes
no país na categoria 'Inovação e
Sustentabi l idade' em concurso
promovido pela Editora Abril e pelo
Banco Real.
Geraldo Lúcio Tiago Filho
Dear readers,
Encouraging and developing social
projects that aim at the univesalization
of the access to electric power are two of
the goals of the National Center of
Reference for Small Hydropower Plants
(CERPCH). Since it was created, CERPCH
has been developing projects aspiring to
the social and economic development of
rural and/or isolated communities all
over the country, especially in the
Amazon Region.Within this scenario, the 30th issue of
PCH Notícias & SHP News presents three
projects developed by CERPCH, which
aim at universalization, showing the
center's interest in developing social
works and studies. In addition, this issue
highlights the project 'Boa Esperança:
BFT/MIG', which is also socially
important and is positioned among the
five most important projects in the
country within the category of
'Innovation and Sustainability' – a
contest sponsored by Editora Abril and
Banco Real.
Geraldo Lúcio Tiago Filho
EditorialEditorial02
Foto capa:Crianças da Comunidade Aruã por Helmo Lemos
Preocupação Social - Através do desenvolvimento de três projetos, CERPCH mostra preocupação com o desenvolvimento
econômico e social de comunidades isoladas
Entre os cinco melhores do paísProjeto 'Boa Esperança: BFT/MIG' colocou a UNIFEI entre
as melhores Universidades do País
Inovação para SustentabilidadeTecnologia BFT/MIG inova na geração de energia elétrica, buscando o
desenvolvimento sustentável de comunidades rurais e/ou isoladas
Social Concern - Through the development of three projects, CERPCH shows concern with the
economic and social development of isolated communities
Among the top five of the countryProject 'Boa Esperança: BFT/MIG' has placed UNIFEI among
the best university in the country
Innovation for SustainabilityBFT/MIG technology is an innovation as far as power generation is concerned,
aiming at the sustainable development of rural and/or isolated communities
Desenvolvimento Social
Desenvolvimento Social
Social Development
Social Development
04
26
Artigos TécnicosTecnical Articles 09
AgendaSchedulle25
InternautaInternet Space06
Intermediação de negóciosMais de 38 centrais em carteira, cerca de 220 MW de potencia divididos entre plantas com licença prévia, licença de implantação, licença de operação e até centrais em operação.
Comercialização de energia 40 MW de energia de PCH disponíveis para comercialização.
Projetos de repotenciação08 anos de experiência comprovada em na elaboração de projetos de repotenciação e recapacitação de antigas centrais.
Sempre a melhor solução para a sua empresa.
Serviço de atendimento ao cliente: [email protected]
.sacirtélerdih siartnec saidém e saneuqep ed oilófO tiom roai r p
grupo.Os dois diferentes grupos serão então
colocados em dois tanques sob as mesmas
condições para as observações e
comparações comportamentais. Poder-se-
á criar, por exemplo, condições de
exposição à predadores para os dois
grupos e comparar os resultados
observados.Pretende-se criar condições que não
causem danos diretos ou mortalidade, mas
possam estabelecer padrões de redução de
orientação e de capacidade de escapar de
ataques predatórios.
CONSIDERAÇÕES FINAISO ambiente de intensa turbulência do
escoamento presente junto às estruturas
do canal de fuga e do tubo de sucção
inviabiliza a instalação de sistemas de
medição em campo. Este constitui-se em
um forte condicionante na escassez de
informações no que se refere à interfase
dos fenômenos hidrodinâmicos que
acontecem nestas regiões e os efeitos sob a
ictiofauna presente. Submeter algumas
espécies de peixes a escalas e intensidades
de turbulência que são representativas nas
diversas condições encontradas junto às
pr incipais estruturas das usinas
hidrelétricas e então observar suas
respostas biológicas em laboratório para
cada condição é o primeiro passo para uma
caracterização do efeito da turbulência.Pretende-se também, conjuntamente
com os testes no aparato, realizar uma
modelagem computacional, através da
técnica de dinâmica dos f luidos
computacional (CFD). A união destas duas
estratégicas, poderá resultar em uma
melhor abordagem do fenômeno,
contribuindo para validar as simulações em
CFD com os dados coletados em análise
experimental assim como abranger a
análise também a outras condições de
testes.Espera-se que os resultados obtidos a
partir da metodologia proposta neste
trabalho, possam ser úteis para a
otimização ambiental de diferentes
p r o j e t o s f u t u r o s l i g a d o s a
empreendimentos hidrelétricos, através da
diminuição de seu impacto principalmente
sobre a comunidade de peixes.
AGRADECIMENTOSCPH – Centro de Pesquisas Hidráulicas
e Recursos Hídricos da Universidade
Federal de Minas Gerais pelo apoio e
disposição da infra estrutura de
equipamentos para realização dos
experimentos;Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica da Escola de
Engenharia da UFMG;CAPES – Pela ajuda financeira
disponibilizada;FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A –
Pelo apoio e incentivo ao desenvolvimento
do projeto.REFERÊNCIAS
AGOSTINHO, A.A.A., VAZZOLER,
A.E.A., THOMAZ, S.M.(1995). The high
River Paraná basin: limnological and
ichthyological aspects. In: Limnology in
Brazil (eds J.G.Tundisi, C.E.M.Bicudo)
pp.59-103. Brazilian Academy of Sciences,
Brazilian Limnological Society
BIZERRIL, C. R. S. F., PRIMO, P. B. S.
(2001). Peixes de Águas Interiores do
Estado do Rio de Janeiro. FEMAR – SEMADS
, Rio de Janeiro, , 417pCADA, G.F., COUTANT, C.C., and
WHITNEY, R.R.. (1997). Development of
biological criteria for the design of
advanced hydropower turbines. DOE/ID-
10578. U.S. Department of Energy, Idaho
Operations Office, Idaho Falls, ID. 85 p.
GEORGES P.L. (1993). Synthese de
quelques méthodes de génération de
maillages éléments finis. Revue
européenne des éléments finis Vol.2, 121-
153.
GORDON, N.D., R.A. MCMAHON, and
FINLAYSON, B.L.. (1992). Stream
hydrology: an introduction for ecologists.
John Wiley & Sons, New York, NY
GOULDING, M.(1981). Man and
fisheries on an Amazon frontier. The
Hague, Dr. W. Junk, 222p
KILLGORE, K. J., and MILLER. A. C.
(1987) Effects of turbulence on yolk-sac
larvae of paddlefish. Transactions of the
American Fisheries Society 116: 670-673
SABINO, J.and PRADO, P.I. (2003).
Avaliação do Estado do Conhecimento da
Divers idade Bio lógica do Brasi l ,
Vertebrados – Versão Preliminar.
COBIO/MMA GTB/CNPq NEPAM/UNICAMP,
2003
SANTOS,H.A.(2004). Metodologia para
INTRODUCCION:El inventor de la turbina de flujo
transversal también conocida como turbina
Banki (o Michell-Banki)fue el ingeniero
Australiano A.G.M. Michell, quien obtuvo
una patente para esta máquina en 1903. La
turbina fue basada en la teoría de Poncelet,
ingeniero francés (1788-1867) quien
desarrolló la clásica rueda hidráulica de eje
horizontal. No hay información adicional
sobre la patente de Michell (Khorowspanah
S., et.al., 1984). El profesor húngaro Donat
Banki en la ex Alemania Occidental hizo un
trabajo extensivo sobre esta máquina
entre 1912 y 1918.La turbina de Flujo Transversal o
turbina Mitchell-Banki es una máquina
utilizada principalmente para pequeños
aprovechamientos hidroeléctricos. Basa
sus ventajas fundamentalmente en un
sencillo diseño y fácil construcción lo que la
hace especialmente atractiva en el balance
económico de un aprovechamiento en
pequeña escala. No obstante esto no
impide que la turbina se utilice en grandes
instalaciones. Los últimos desarrollos para las
turbines Banki fueron realizados en dos
direcciones principales. Una de las ramas
investigativas fue la reconstrucción de la
sección de succión, especialmente por el
rediseño de la descarga, añadiendo un tubo
de aspiración. La otra dirección se basa en
la optimización del inyector y la forma del
álabe regulador. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:La turbina consta de dos elementos
principales: un inyector y un rotor. El agua
es restituida mediante una descarga a
presión atmosférica. El rotor está
compuesto por dos discos paralelos a los
cuales van unidos los álabes curvados en
forma de sector circular (figura 1).El inyector posee una sección
transversal rectangular que va unida a la
tubería por una transición rectangular -
circular. Este inyector es el que dirige el
agua hacia el rotor a través de una sección
que toma una determinada cantidad de
álabes del mismo, y que guía el agua para
que entre al rotor con un ángulo
determinado obteniendo el mayor
aprovechamiento de la energía. La
regulación de la potencia se realiza
variando el caudal que ingresa a la
máquina, mediante un álabe regulador que
permite estrechar la sección de pasaje del
agua a través de un movimiento sobre su
eje.El chorro entra al rotor con un ángulo
que es constante en toda la admisión y
tangente a la periferia del rotor. El flujo que
abandona las paredes sólidas del inyector
es definido como un chorro libre. La
diversidad de diseño en la geometría del
inyector hace que se adopten distintos
ángulos de admisión. A través de las
diversas investigaciones que se han
realizado sobre esta máquina los ángulos
de admisión del inyector van desde los 30º
hasta los 120º. La energía del agua es transferida al
rotor en dos etapas, lo que también da a
esta máquina el nombre de turbina de
doble efecto, y de las cuales la primera
etapa entrega un promedio del 70% de la
1Ariel R. Marchegiani
ResumoEn este trabajo se presentan los resultados de simulaciones numéricas 2D del flujo realizadas sobre una turbina de flujo transversal o
Michell-Banki. Se investiga numéricamente la eficiencia de la turbina. Para este estudio se utilizó un diseño conocido como es la de la
Organización Latinoamericana de Energía (OLADE). Los objetivos generales de la simulación numérica del flujo a través de la turbina
fueron la determinación de los campos de presión y velocidad, y finalmente la especificación de su rendimiento en diferentes puntos de
funcionamiento.Se realizaron simulaciones utilizando un modelo de flujo Turbulento, con un modelo de turbulencia k-ε. Se impuso un salto de presión
entre la entrada y la salida obtenido a partir de los valores típicos de operación de esta máquina. Las simulaciones numéricas se llevaron a
cabo mediante el software FLUENT, que resuelve numéricamente este problema mediante el método de volúmenes finitos (FVM) aplicado
a un flujo permanente incompresible. Los resultados fueron comparados con datos experimentales a fin de validar el modelo teórico.
Palabras llave: Turbina Banki
AbstractIn this work the results of numeric simulations 2D of the flow are presented carried out on a turbine of traverse flow or Michell-Banki. It
is investigated the efficiency of the turbine numerically. For this study a well-known design was used as it is that of the Latin American
Organization of Energy (OLADE). The general objectives of the numeric simulation of the flow through the turbine were the determination
of the fields of pressure and speed, and finally the specification of their yield in different operation points.Were they carried out simulations using a model of Turbulent flow, with a turbulence model k-ε. A jump of pressure was imposed
among the entrance and the exit obtained starting from the typical values of operation of this machine. The numeric simulations were
carried out by means of the software FLUENT that solves this problem numerically by means of the method of finite volumes (FVM) applied
to an incompressible permanent flow. The results were compared with experimental data in order to validate the theoretical pattern.
Keywords: Banki Turbine
1 – Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (La.M.Hi.) - Depto de Mecánica Aplicada -Facultad de Ingeniería UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE - Buenos Aires 1400 - (8300)Neuquéne-mail: [email protected]
SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL FLUJO EN UNA TURBINA TIPO BANKI
Figura 1. Esquema em 3D do projeto do aparatopara os teste.
FUNDAÇÃO DE APOIO AO ENSINO,PESQUISA E EXTENSÃO DE ITAJUBÁAv. Paulo Carneiro Santiago,472, Bairro Pinheirinhocep:37500-191 ITAJUBÁ - MGTELEFONE: (35) 3622-3543 FAX: (35) 3622-0107
Para maiores informações acesse:For more information acess: http://www.cerpch.unifei.edu.br
Esta Publicação conta com os apoios de:
This publication has the supports of:
MMEMinistério de Minas e Energia
12 13
energía total transferida al rotor y la
segunda alrededor del 30% restante.En el presente estudio se analizará un
diseño de turbina Banki desarrollado por la
Universidad Nacional de la Plata y que fue
ensayado en la misma. Esta geometría es
una var iante del propuesto por
Organización Latinoamericana de Energía
(O.LA. D.E.). En la Tabla 1 se dan los
parámetros geométricos y de operación de
esta turbina.
MODELACIÓN NUMÉRICA Y CONDI-
CIONES DE BORDE.El sistema de leyes de conservación
para analizar el escurrimiento de un fluido
permanente e incompresible en la turbina
suele expresarse mediante las ecuaciones
de Navier Stokes, que matemáticamente
representan un sistema de ecuaciones a
derivadas parciales de primer orden
acoplado y no lineal, de la forma:
A la entrada se impuso la presión dada
por el salto que aprovecha la turbina. A la
salida se impuso una presión relativa igual
a cero. Las velocidades sobre las paredes
sólidas se asumen igual a cero
(Marchegiani et.al., 2003).La simulación
numérica se llevó a cabo mediante el
software para aplicaciones de CFD, FLUENT
6.2.Para analizar el flujo en los elementos
rotantes de la turbina, se utilizó la opción
de Marco de referencia móvil del Fluent.
Los cálculos fueron realizados en un
dominio móvil correspondiente al rotor. En
este caso el flujo fue referido a un marco de
referencia rotante, lo cual simplifica el
análisis. Como consecuencia de tales
s imp l i f i c a c i one s , p r ob l emas de
inestabilidad tal como la interacción entre
el álabe regulador y el rotor no pueden ser
modelados.Para la modelación de flujo turbulento
se utilizó un modelo del tipo eddie viscosity
(hipótesis de Boussinesq) donde la
viscosidad turbulenta se obtiene a partir de
dos cantidades, la energía cinética
turbulenta y la disipación turbulenta
resueltas mediante dos ecuaciones en
derivadas parciales(ke). Las condiciones de
contorno a aplicar sobre estos campos en
las inmediaciones de contornos sólidos
responden a la bien conocida ley de pared,
apta para flujos a altos números de
Reynolds.La distribución de presión y velocidad
es calculada en cada punto de la malla
computacional. El campo de presión
resultante en el campo del flujo es una
herramienta apropiada para predecir el
comportamiento de la turbina.
SIMULACIÓN COMPUTACIONAL Y
VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOSLos objetivos generales de la
simulación numérica del flujo a través de la
turbina fueron la determinación de los
campos de presión y velocidad, y
finalmente la especificación de su
rendimiento en diferentes puntos de
funcionamiento.Para realizar la validación de la
simulación computacional se compararon
los resultados obtenidos con valores
experimentales obtenidos para la turbina
mencionada anteriormente (Aguerre et. al
, 1987). Se realizaron simulaciones para
una apertura del álabe regulador de 100%,
y se comparó con los resultados
experimentales.El análisis se realizó en un modelo 2D
en toda el área del flujo. Los cálculos en la
tercera dimensión (axial) se omitieron
debido a la invariabilidad de la geometría
del flujo en esta dirección. Este paso
disminuyó la exactitud de los resultados de
algún modo, pero por otro lado redujo el
tiempo de cálculo substancialmente. El
análisis se realizó usando el solver
Fluent[TM] que se basa en el método de
volúmenes finitos.La simulación se llevó a cabo para
mallas de distinta densidad a fin de
encontrar la que mejor se adaptara al
proyecto. Finalmente se optó por una malla
de 27913 nodos y 53278 elementos
triangulares, con la cual se logró una rápida
convergencia (figura 2). Esta decisión
resultó de las deformaciones sustanciales
de la malla estructural en muchas áreas
cruciales del campo de flujo.En el proceso de generación de la malla
se usaron dos herramientas de software:
AutoCADTM fue aplicado para construir la
geometría inicial de la turbina. La malla fue
generada por el programa de Gambit TM
y se densificó en las áreas de flujo más
conflictivas a fin de obtener un nivel
aceptable de solución.
Definición de la Eficiencia La eficiencia de una turbina hidráulica
es medida por su rendimiento. En general
el rendimiento es una indicación de que
porcentaje de la potencia entregada por el
agua a la turbina es transformada en
potencia mecánica en el eje, es decir:
donde ρ es la densidad del agua, Q es el
caudal, y Hn es la altura neta de la turbina,
y Pe es la potencia en el eje de la turbina,
dada por:
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSCon el objetivo de simplificar el análisis
de los resultados, la presión se
adimensionalizó con respecto a la presión
en la entrada del inyector, y la longitud se
adimensionalizó con referencia a la
longitud total de cada elemento. Se simuló
para un valor del número de Reynolds del
orden de 4300 tomando como longitud
característica la altura de la entrada y
velocidad característica de entrada.Una visualización del ensayo que fue
realizada conjuntamente con la adquisición
de los valores experimentales confirman
los resultados del análisis numérico como
se muestra en la figura 3. Los resultado
muestran un área de flujo muerto en la
parte interior del rotor que se hace visible
fácilmente en la fotografía marcada como
área A. Este fenómeno es característico de
este tipo de turbinas. A fin de corroborar la precisión de los
resultados numéricos se realizó el cálculo
14 15
Parámetros Geométricos de la turbina Parámetros en el punto óptimo de operación
Diámetro exterior = 125 mm Altura H = 10 m Diámetro interior = 85 mm Caudal Q = 21.82 l/s Ancho del rotor = 60 mm
Potencia en el eje P = 1.44 kW
Número de álabes = 24
Velocidad nominal = 1000 r.p.m.
Espesor de los álabes = 1 mm
Apertura del álabe regulador a0 = 100%
Ángulos de entrada y salida β1= 150º y β2=90º
Tabla 1: Parámetros geométricos y de operación de la turbina ensayada.
0=•∇u (1)
ugfpuut
u 2∇+++−∇=
∇•+
∂∂ µρρρ
n
e
HQg
P
...ρη= (3)
60
...2.
TnTPe
πω== (4)
Figura 3
Figura 4
Figura 5 Figura 6
Figura 7 Figura 8
de la curva de eficiencia para los
parámetros geométricos y de operación.
En la figura 4 se observa la aproximación de
los resultados numéricos a los valores
experimentales.En la figura 5 se observan la
comparación entre la simulación
computac iona l y los resu l tados
experimentales para las presiones sobre el
álabe regulador, y en la figura 6 el mismo
tratamiento para las presiones sobre la
pared superior.Como puede apreciarse en las figuras
anter io res se logró una buena
ap r ox imac i ón a l o s r e su l t ado s
experimentales, con algunas dificultades
en el ajuste sobre la pared superior y la
zona de baja presión del álabe regulador.
De esto se puede concluir que el modelo
aplicado es válido para la simulación del
flujo en una turbina Banki.La simulación permitió la obtención del
caudal erogado por la máquina. El caudal
obtenido por simulación para una apertura
del 100%, fue del orden de 0.02141 m3/s
mientras que e l caudal medido
experimentalmente para las mismas
condiciones fue de 0.02158 m3/s.
CONCLUSIONESEn el presente trabajo se muestra el uso
del análisis por medio de CFD para asistir al
diseño de las turbinas. El objetivo de este
análisis numérico fue la validación de la
técnica aplicada por medio de la
comparación con resultados de ensayos
experimentales, los cuales muestran una
notable precisión de los resultados
alcanzados.
Con e l uso de los métodos
computacionales, es posible, analizar las
diferentes alternativas de diseño y
optimización, antes de fabricar una turbina
o un modelo a escala reducida para ensayar
físicamente. Los modelos computacionales
de escurrimientos nos permiten acceder a
información importante y necesaria para
lograr un mejor entendimiento de los
f e n ó m e n o s h i d r o d i n á m i c o s e n
componentes de turbinas.
Un trabajo de investigación que
aplique el análisis CFD a pequeñas
turbinas y sus componentes, deberá
conducir, en primer lugar, a una evaluación
de las dificultades para la simulación de
este tipo de escurrimientos, y en segundo
lugar, en la búsqueda de hipótesis y
algoritmos hábiles para representar
fenómenos fluidodinámicos en máquinas
hidráulicas, caracterizadas en general por
estructuras altamente turbulentas.
REFERENCIASKhorowspanah S., Albertson M., and
Fiuzat A. (1984), "Historical overview of
cross-flow turbine", Water Power & Dam
