PFC JuanContreras FEB2010

7/31/2019 PFC JuanContreras FEB2010

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE

EDUCACIN A DISTANCIA

ESCUELA TCNICA SUPERIORDE INGENIEROS INDUSTRIALES

TTULO CARACTERIZACIN DE UN PERFIL AERODIN M ICOM EDIANTECFD

AUTOR D. Juan Contreras Moreira

DIRECTOR D. Pablo Gmez del PinoCODIRECTOR i D. Claudio Zanzi

PONENTE

DEPARTAMENTO Mecnica de Fluidos

PROYECTOFin de Carrera

Ingeniera Industrial


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TTULO DEL PROYECTOCARACTERIZACIN DE UN PERFIL AERODINMICO MEDIANTE CFD

(A rellenar por el Tribunal Calificador)

TRIBUNAL CALIFICADOR

PRESIDENTE: _________________________________________________________

_________________________________________________________

VOCAL _________________________________________________________

_________________________________________________________

SECRETARIO _________________________________________________________

_________________________________________________________

FECHA DEFENSA ___ de _________________ de _______

CALIFICACIN _________________________________________________________

Vocal Presidente Secretario

Fdo.:_________________ Fdo.:_________________ Fdo.:_________________

CDIGOS UNESCO


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CARACTERIZACINDEUNPERFIL AERODINMICOMEDIANTECFD

UNED|JuanContrerasMoreira 1

Agradecimientos

Amipadre,quemeenselafsica,

yamimadrequemeenseanoabandonarla.


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Resumen

Laelicaesunadelasenergasrenovablesjuntoconlahidrulicaylasolar,demayorintersmundial.Suenergaeslimpia,conunimpactoambientaldiscutibleperomucho

menorqueotrasenergas,yconunpotencialelctricomuy importanteen laszonas

geogrficasdondeencontramosvientosdemagnitudy frecuenciasconsiderables.Es

unaalternativaatodaslasenergasdecombustiblesfsilesquetenemosenelmundo,

yaquenogeneraCO2deformadirecta.

La energa elica generada en todo el mundo representa el 1% de la energa

consumida.EnEspaa (segnREEa31122008)el11%de laenergademandadase

cubre con esta fuente, teniendo un objetivo fijado (segn el Plan de Energas

Renovables)para el 2010de conseguir el 12%de la generacin elctricadelpas a

partirdeestafuente.El17%delageneracindeenergainstaladaeselica.Tambin

laUEhafijadocomoobjetivoobligatorio queel20%delaenergaelctricagenerada

porcadapasseadeorigenrenovable.

A lo largode lahistoria laenergaelicaha sidodeutilidadparael serhumanoen

numerosasaplicaciones:paramoveraspasdemolinosparamolergrano,paramover

ejesdebombasdeaguaHoyendaseutilizaprcticamentesoloparamoverelejede

unalternadorygenerarcorrienteelctrica.

Laproblemticaquesurgeadadehoy resideen lanecesidaddeconseguirbuenos

rendimientos en tales mquinas generadoras de energa, para as conseguir mayor

cantidaddeenergaconlamenorinversin,yasuvezenextraerlamayorcantidadde

energaposiblealvientodeunaregin.Haymquinasquegeneranmayorcantidadde

energaqueotrasparaunmismoviento.

El desarrollo de un aerogenerador, es una tarea compleja que comprende muchos

campos(mecnica,electricidad,electrnicadepotencia,electrnicadecontrol,ciencia

de materiales), y que tiene por resultado una mquina de dimensiones poco

manejables,delordende50130mdedimetroydealturade los40a los120m.La

inversin inicial por aerogenerador ronda el medio milln de euros para un

aerogeneradorde1MW.Estasdificultadestcnicasa lahoraderealizarunprototipo

han hecho que se desarrollen con considerable xito sistemas de clculo y de

simulacinporordenadortantoparalapartemecnicacomoparalaparteelctrica.

Lafinalidaddeesteproyectonoesotramsque ladecaracterizarcorrectamenteun

perfil de pala de aerogenerador. Es decir, estudiar y ensayar mediante clculo


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computacional un perfil aerodinmico y as predecir su comportamiento formando

partedelapaladeunaerogeneradorenelsenodeuncampodevelocidadesdeviento

conocidos. Y entonces poder conseguir un mayor rendimiento (una maquina ms

competitiva)quenospermitaextraerlamayorcantidaddeenergaposible.


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PalabrasClave

Perfilaerodinmico

Capalmite

Entradaenprdidas

Turbulencia

Vrtice

CFD ComputationalFluidDynamics

Cl Coeficientedesustentacin

Cd Coeficientedearrastre

Cm Coeficientedemomento

AOA AngulodeAtaque(AngleOfAttack)

Gambit Cdigodegeneracindemalla

Fluent Cdigodeanlisiscomputacionalmediantevolmenesfinitos

Re NmerodeReynolds

SA ModeloSpalartAllmaras

k Modelokpsilon

rke Modelokepsilonrealizable

LES ModeloLargeEddySimulation

DNS DirectNumericalSimulation

RANS ReynoldsAveragedNavierStokes


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ndiceGeneral

AGRADECIMIENTOS............................................................................................................................ 1

RESUMEN........................................................................................................................................... 3

PALABRASCLAVE................................................................................................................................ 5

PERFILAERODINMICO...................................................................................................................... 5

NDICEGENERAL................................................................................................................................. 7

NDICEDEFIGURAS............................................................................................................................. 9

I. INTRODUCCIN........................................................................................................................ 13

I.1 JUSTIFICACINDELPROYECTO.......................................................................................................... 13

I.2 PLANTEAMIENTODELPROBLEMAARESOLVER...................................................................................... 14

I.3 OBJETIVOSDELPROYECTO............................................................................................................... 17

I.4 ESTUDIODELASITUACINACTUAL................................................................................................... 17

I.4.1 EvaluacindeAlternativas................................................................................................... 18

I.4.2 Seleccindealternativas...................................................................................................... 19

II. HERRAMIENTAS....................................................................................................................... 21

II.1 GAMBIT2.2................................................................................................................................. 21

II.2 FLUENT6.3.................................................................................................................................. 21

II.3 GREENSHOT.................................................................................................................................. 21

II.4 OFFICE........................................................................................................................................ 21

III. MARCOTERICO...................................................................................................................... 21

III.1 PROBLEMAFSICO..................................................................................................................... 22

III.2 ECUACIONESDELAMECNICADEFLUIDOS............................................................................. 24

III.3 MODELOSSIMPLIFICADOS........................................................................................................ 27

III.3.1 DNS(Direct

Numerical

Simulation)

..................................................................................

27

III.3.2 LES(LargeEddySimulation)............................................................................................. 27

III.3.3 RANS(ReynoldsAveragedNavierStokes)........................................................................ 27

III.3.4 ComparacindeModelos................................................................................................ 28

IV. METODOLOGA.................................................................................................................... 30

IV.1 ANALISIS2D.............................................................................................................................. 31

IV.1.1 PREPROCESO2D............................................................................................................... 31

IV.1.2 CALCULO2D..................................................................................................................... 45

IV.1.3 POSTPROCESO3D............................................................................................................ 53


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IV.2 ANLISIS3D................................................................................................................................. 61

IV.2.1 Preproceso3D.................................................................................................................. 61

IV.2.2 Clculo3D........................................................................................................................ 67

IV.2.3 Postproceso3D................................................................................................................ 73

V. RESULTADOS............................................................................................................................

74

V.1 RESULTADOS2D........................................................................................................................... 74

V.1.1 DatosdeTabla...................................................................................................................... 82

V.1.2 Prediccinderesultadosparacorrientedeairede25m/s...................................................83

V.2 RESULTADOS3D........................................................................................................................... 88

V.2.1 ContornosdeVelocidad........................................................................................................ 88

V.2.2 LneasdeCorriente............................................................................................................... 90

VI. ANLISISDERESULTADOSYVALIDACINDEMODELOSDETURBULENCIA............................ 91

VI.1 ANLISISEN2D............................................................................................................................. 91

VI.2 ANLISISEN3D............................................................................................................................. 93

VII. CONCLUSIONES.................................................................................................................... 93

VIII. BIBLIOGRAFA...................................................................................................................... 95

IX. APNDICES............................................................................................................................... 96

IX.1 DATOSDETNELDEVIENTO............................................................................................................ 96

IX.2 ESTUDIODEFX63137................................................................................................................. 99

IX.3 CONTENIDOENTREGADOENELCDROM........................................................................................ 101

IX.3.1 Contenidos..................................................................................................................... 101


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INTRODUCCIN|CARACTERIZACINDEUNPERFILAERODINMICOMEDIANTECFD


ndicedeFiguras

Ilustracin1PerfilSG6040............................................................................................................. 13

Ilustracin2VistadesdelabasedeunAerogenerador................................................................... 14

Ilustracin4Detalledelcubodeanclaje........................................................................................... 15

Ilustracin5Vistageneraldeunapala........................................................................................... 16

Ilustracin6DiseodepalasegnGHBladed................................................................................... 16

Diagrama1Procesoderesolucindelproblema............................................................................ 22

Ilustracin9Modelopala3D.......................................................................................................... 24

Ecuacin1........................................................................................................................................ 24

Ilustracin10Fuerzasqueseproducenenlapala.......................................................................... 25

Ecuacin2 Cl.................................................................................................................................. 25

Ecuacin3 Cd................................................................................................................................. 25

Ecuacin4 Cm................................................................................................................................ 26

Ecuacin5........................................................................................................................................ 26

Ecuacin6........................................................................................................................................ 26

Ecuacin7........................................................................................................................................ 26

Tabla1ComparacindeModelosdeturbulencia........................................................................... 29

Ilustracin11Aproximacionesquerealizanlosmodelosdeturbulencia......................................... 29

Diagrama2

Proceso

de

Calculo

.......................................................................................................

30

Diagrama3Procesodemallado2D................................................................................................ 31

Tabla2Datos"tipo"deunperfil araser importadosdesdeGambit.............................................. 31

Ilustracin12Datosimportadosdesdearchivo.dat....................................................................... 32

Secuencia1 NURBS......................................................................................................................... 32

Ilustracin13NURBSyFinaldecola............................................................................................... 32

Secuencia2Puntosporcoordenadas............................................................................................. 33

Tabla3Puntosquedefinenelespaciodeflujoaestudiar............................................................... 33

Ilustracin14

Puntos

que

definen

el

espacio

aestudiar

..................................................................

33

Secuencia3Rectaporpuntos......................................................................................................... 34

Secuencia4Arcocircular................................................................................................................ 34

Ilustracin15Lneaslmite............................................................................................................. 34

Secuencia5...................................................................................................................................... 35

Tabla4Nomenclaturadelassuperficies......................................................................................... 35

Secuencia6...................................................................................................................................... 35

Ilustracin16SeccinEntradamenosPala..................................................................................... 36

Ilustracin17Barraseleccindeespaciodetrabajo....................................................................... 36

Ilustracin18MallasQuadyTri..................................................................................................... 36


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Ilustracin19MalladoQuad.......................................................................................................... 37

Secuencia7...................................................................................................................................... 38

Ilustracin20 MalladodeLneaslmite.......................................................................................... 38

Ilustracin21Malladodelneassuperiordepala........................................................................... 38

Ilustracin22

Mallado

superior

einferior

de

pala

...........................................................................

39

Ilustracin23Malladodefinaldecola........................................................................................... 39

Secuencia8...................................................................................................................................... 39

Ilustracin24MalladodeSuperficies............................................................................................. 40

Ilustracin25MalladodeSemicircunferenciadeEntrada............................................................... 40

Ilustracin26MalladodepartesposterioresdelaPala.................................................................. 41

Ilustracin27MalladoAcabado2D................................................................................................ 41

Ilustracin28Detallesdemallado2D............................................................................................. 42

Secuencia9...................................................................................................................................... 42

Ilustracin29Condicionesdecontorno2D..................................................................................... 43

Secuencia10..................................................................................................................................... 43

Ilustracin30MenGrupos........................................................................................................... 43

Secuencia11..................................................................................................................................... 44

Ilustracin31Mendeasignacindecondicionesdecontorno...................................................... 44

Ilustracin32SeleccindeDimensionesydeprecisinenFluent................................................... 45

Ilustracin33.................................................................................................................................... 45

Ecuacin8........................................................................................................................................ 46

Ilustracin34MendeCondicionesdecontorno........................................................................... 47

Ilustracin35.................................................................................................................................... 48

Ilustracin36.................................................................................................................................... 49

Ilustracin37.................................................................................................................................... 50

Ilustracin38.................................................................................................................................... 50

Tabla5............................................................................................................................................. 51

Ilustracin39.................................................................................................................................... 51

Ilustracin40.................................................................................................................................... 52

Ilustracin41

....................................................................................................................................

52

Ilustracin42.................................................................................................................................... 53

Ilustracin43.................................................................................................................................... 54

Ilustracin44.................................................................................................................................... 54

Ilustracin45.................................................................................................................................... 55

Ilustracin46.................................................................................................................................... 56

Ilustracin47.................................................................................................................................... 56

Ilustracin48.................................................................................................................................... 57

Ilustracin49

....................................................................................................................................

57

Ilustracin50.................................................................................................................................... 58


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Ilustracin51.................................................................................................................................... 58

Ilustracin52.................................................................................................................................... 59

Ilustracin53.................................................................................................................................... 60

Ilustracin54.................................................................................................................................... 60

Diagrama4.......................................................................................................................................

61

Secuencia12..................................................................................................................................... 61

Ilustracin55.................................................................................................................................... 62

Ilustracin56.................................................................................................................................... 63

Secuencia13..................................................................................................................................... 63

Ilustracin57MendemalladodeVolmenes.............................................................................. 64

Ilustracin58 Malla3D.................................................................................................................... 64

Ilustracin59CarasdeSimetra..................................................................................................... 65

Secuencia14..................................................................................................................................... 65

Ilustracin60Mendelascondicionesdecontorno....................................................................... 66

Secuencia15..................................................................................................................................... 66

Diagrama5....................................................................................................................................... 67

Ilustracin61MenControldelasolucin3D................................................................................ 68

Ilustracin62MenMonitorizacindelosResiduosen3D............................................................. 69

Ilustracin63.................................................................................................................................... 70

Ilustracin64.................................................................................................................................... 70

Ilustracin65.................................................................................................................................... 71

Ilustracin66.................................................................................................................................... 71

Ilustracin67.................................................................................................................................... 72

Tabla6............................................................................................................................................. 75

Tabla7............................................................................................................................................. 76

Tabla8............................................................................................................................................. 77

Tabla9............................................................................................................................................. 78

Tabla10........................................................................................................................................... 79

Ilustracin68.................................................................................................................................... 80

Ilustracin69

....................................................................................................................................

80

Ilustracin70.................................................................................................................................... 81

Ilustracin71.................................................................................................................................... 81

Tabla11........................................................................................................................................... 82

Tabla12........................................................................................................................................... 82

Ilustracin72.................................................................................................................................... 83

Ilustracin73.................................................................................................................................... 84

Ilustracin74.................................................................................................................................... 84

Ilustracin75

....................................................................................................................................

85

Tabla13........................................................................................................................................... 86


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Tabla14........................................................................................................................................... 87

Ilustracin76.................................................................................................................................... 88

Ilustracin77.................................................................................................................................... 89

Ilustracin78.................................................................................................................................... 90

Tabla15

...........................................................................................................................................

92

Tabla16........................................................................................................................................... 96

Tabla17........................................................................................................................................... 97

Tabla18........................................................................................................................................... 98

Ilustracin79.................................................................................................................................... 99

Ilustracin80.................................................................................................................................... 99

Ilustracin81.................................................................................................................................. 100

Tabla19......................................................................................................................................... 100

Tabla20......................................................................................................................................... 101


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I. INTRODUCCIN

I.1 JustificacindelProyecto

Desdeelpuntodevistadelaprediccindelrendimientodeunaerogenerador,esmuy

interesanteeldesarrollomediante computacindeunmodeloquenos solucione la

fsicadeesainteraccinvientomaquina.Elanlisisquevamosahacersevaacentrar

enlamecnicadefluidos,enelestudiodelaseccindelapala,concretamentedeun

perfildelafamiliaSG.ElSG6040,queyahasidoutilizadoenaerogeneradores.

Enelestudiovamosacalcularsuscaractersticasaerodinmicas,frentea losdistintos

tiposdevientos,dengulosdeataque,ysegnvariosmodelos fsicosdistintos.Con

esto conseguiremos saberque como se comporta lahlice frentealviento,y como

utilizarelperfilminimizandolasprdidasdeenerga,ymaximizandoelrendimiento.

I ustraci n1 Per i SG6040


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I.2 Planteamientodelproblemaaresolver

Elvientoesuna fuentedeenerga inagotable. Impredeciblemuchasveces,perocon

una

energa

que

es

producto

del

equilibrio

del

ecosistema

en

el

que

vivimos,

donde

las

diferencias de temperatura por el calentamiento del sol producen diferencias de

presin que hacen que el aire se desplace para alcanzar el equilibrio, creando los

vientos. El hombre ha creado diferentes mecanismos para captar tal energa, en

particular el aerogenerador. Este consta de una hlice, formada por varias aspas

(palas).Lafuncindelasaspasesladeinteraccionarconelairequepasaasutravs,y

rotarrespectoalejedebidoalasfuerzasqueaparecenalolargodelapala.

Ilustracin

2

Vista

desde

la

base

de

un

Aerogenerador

Esteejedegiro (rotor)seconectaaunalternadorqueconvierteelgiromecnicoen

corrienteelctrica

Pero como habremos visto, las palas no son de seccin constante como las de los

helicpteros.Estaspalasestn torsionadas,aumentanel grosorde la seccin segn

nos acercamos al rotor, incluso cambiande familiade secciones.Estoespor varios

motivos:

Enlosgrandesaerogeneradores,laspalaspuedentenerhasta60mdelongitud,

yteniendoencuentaque lapalasecomportacomounavigaenvoladizo, los


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esfuerzosquelleganhastalabasedeanclajealrotorsonenormes.Porlotanto

cadaseccintienequesercapazdesoportartodolafraccindepalaquevuela

apartirdeella. Yparaque eso resista, la seccin ir aumentandode forma

progresiva.Deestaforma,porejemplo,dentrodelamismafamilia.

Ilustracin3Crecimientodelgrosordelaseccin

Ilustracin4Detalledelcubodeanclaje

Lasseccionescentralesnopuedentenermuchaseccin,paraquelaresistencia

alvientoqueofrece lapalaporseparadoy toda lahliceenconjuntonosea

demasiadoelevada.


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Elpardegiroseobtieneporunasumadeparesalolargodetodalapala.Para

quelapalaseaefectiva,sedebeaprovecharalmximolasuperficiedeataque

del viento. El par provocado por las fuerzas de sustentacin de los perfiles

exteriores se consiguen con secciones pequeas, y pequeos ngulos de

ataque.Sinembargo las fuerzasdesustentacincercadelejedegiro,hande

sermuchomayores,paracompensarelpequeobrazodegiro.Por loqueen

esteltimocaso,senecesitanseccionesmayoresyngulosdeataquemayores

tambin.Deahsurgeelconceptodetorsindepala.

Ilustracin5Vistageneraldeunapala

Lapalasevaadividirenvarios tramos,yencada tramosevaaoptimizar la

seccinparamaximizarlasustentacin,ylaresistenciaestructural,yminimizar

la resistencia al paso del aire, la cantidad de material, el peso, para un

intervalodevelocidadesdefuncionamiento.Esdecirquelamquinasedisea

yseoptimizaparaelvientoqueexisteenelemplazamiento.

Ilustracin6DiseodepalasegnGHBladed

Para todas estas cosas, necesitamos tener muy bien caracterizadas las familias de

perfiles. Necesitamos conocer cmo se comporta un perfil frente a los diferentes

ngulos de ataque, y frente a todo el abanico de velocidades de viento, en las

condiciones del emplazamiento. Entonces podremos disear una pala entera en

funcindenuestrasnecesidades.


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I.3 ObjetivosdelProyecto

El objetivo general de este proyecto consiste en estudiar un perfil aerodinmico

conocidomedianteuncdigocomercialdepropsitogeneraldedinmicade fluidos

computacional,validandoelmodelodesarrolladoapartirde losresultadosobtenidos

experimentalmenteenuntneldeviento.

Concretamenteestoestodoloquevamosahacer:

Crearunmodelogeomtricodelosperfilesobjetodelestudio.

Definirunmodelomatemticoadecuadopara resolverel flujo alrededordel

perfilencuestin.

Medir mediante Fluent los coeficientes de sustentacin, de arrastre y de

momento,delperfilen2D frenteavientosde7.3m/scomparndoloscon los

datosobtenidosentneldevientodelaUIUCAirfoilDataSite,resolviendolos

casossegnlosmodelosdeturbulenciadek ySA.

Medirtalescoeficientesparavelocidadesdecorrientedeaire de25m/s

Mostrar resultados de distribucin de velocidades, de presiones y lneas de

corriente.

Resolveruncasode flujonoestacionariomedianteunmodelodeturbulencia

detipoLESconunperfilen3Ddeextrusinrectasintorsin.

I.4 EstudiodelaSituacinActual

Adadehoy,sepuedenobtenertodasestascaractersticasdediversasformas:

Entneldevientoensayandounprototipoaescala.

Enunprototipoatamaorealmidiendoenlascondicionesnecesarias.

MedianteunmodelofsicomatemticoresueltoatravsdeuncdigoCFD.

La formams fiable,es lamedidadirecta,evidentemente.Peroesto suele sermuy

costoso,generalmentenosedisponendetantosmedios,yenfuncindeladimensin,

nosepuedeensayarunprototipode60mdedimetroentneldeviento.Sepodra

hacer un prototipo a escala y ensayarlo, y luego mediante anlisis dimensional

extrapolarlosresultadoshastaunmodelodetamaoreal.


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Hoyendaelanlisisporvolmenes finitos,estbastantedesarrollado,ymediante

varioscdigoscomercialesqueexistenenelmercadosepuedenrealizarensayospor

ordenador y obtener datos realmente cercanos a la realidad para algunos casos

concretos.Tambinesciertoquehayproblemasquerequierendemasiadosrecursos

deordenadorytampocosepuedenrealizar,oesdemasiadocostoso.

DentrodelCFD,haymuchasposibilidades.Lasecuacionesquerigenestosaccidentes

fsicossonconocidas,peroenmuchoscasossonirresolubles.Loquesesuelehaceres

queenfuncindelafsicadelproblemaydelamagnituddelasrestriccionessesuele

simplificar el modelo fsico de un modo u otro, para que las ecuaciones sean ms

simplesysepuedanresolver.

I.4.1EvaluacindeAlternativas

Dentrodelconjuntodecdigosqueresuelvenestosproblemas,nosencontramoscon

varios.

I.4.1.1 FluentCdigomuycompleto,muyverstil,conmuchasposibilidades,muyextendidoentre

los profesionales. Con mucho material didctico en Internet. Disponible en muchas

universidades. Interfaz un poco pesada y poco flexible a la hora de postprocesar

imgenes y animaciones. Incluye un programa para creacin de mallas que es el

Gambit,queinteraccioneperfectamenteconelFluent.Esunsoftwarecaro

I.4.1.2 XFOILProgramamslimitado.Conpocosmodelos,deusosencillo,yresultadosrpidos.Solo

paraflujossubsnicos.Esfreeware.

I.4.1.3 EDGEProgramadeaplicacionesaeronuticasperosoloparaaplicacionesnoestructuradas.

I.4.1.4 OpenFOAMEs un programa de cdigo abierto, con buenas perspectivas, y gratuito. Pero tiene

limitacionesdedesarrollo.Laspartesdesarrolladassonuntantoindependientes,ynoesfcilpasardeunmododeanlisisaotro.


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I.4.1.5 ANSYSCFXProgramamuyprofesionalymuydifundido.Especializado sobretodoen transmisin

trmica,yenprocesosconmezclasdefluidos.Perotienemenosposibilidadesqueel

Fluent,haymodelosquenolosresuelve.Esunsoftwarecaro.

I.4.2Seleccindealternativas

DebidoasusposibilidadesyasuextensinenelmundodelCFDvamosautilizarel

Software Fluent para resolver los clculos. Vamos a desarrollar este punto en la

seccinsiguiente.


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HERRAMIENTAS|CARACTERIZACINDEUNPERFILAERODINMICOMEDIANTECFD


II. HERRAMIENTAS

Pararealizaresteproyectohemosutilizadolassiguientesherramientasinformticas

II.1Gambit2.2

Gambit es el programa asociado a Fluent, que est dedicado ntegramente el

PREPROCESO

II.2Fluent6.3

Es

el

programa

elegido

para

el

clculo.

Sirve

para

resolver

el

modelo

matemtico

elegidoyparaelPOSTPROCESO

II.3 Greenshot

Paracapturarpantallazos.Decdigoabierto

II.4Office

HemosutilizadoExcelparacomparar losresultadosdeFluentconlosdetnel

deviento,ypresentarlossegnlasnecesidades.

Visioparahacerdiagramasdeflujo.

Wordparaescribirestamemoria.

III. MARCOTERICO

Las fases que vamos a seguir para una correcta resolucin del problema son las

siguientes:


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MARCOTERICO|CARACTERIZACINDEUNPERFILAERODINMICOMEDIANTECFD


Diagrama1Procesoderesolucindelproblema

III.1PROBLEMAFSICO

Dentro del marco de la Energa Elica, y de las aeroturbinas, vamos a acotar el

problema.Nosvamosacentrarenlateoradelelementodepalaporlacualvamosa

estudiar nicamente la seccin de lapala, el perfil aerodinmico y luego as poder

extender el resultado a toda la pala. Planteamos que el ensayo se puede hacer

considerandoqueelperfilesfijo,ysuponiendoquelavelocidaddeentradadelairees

lavelocidadrelativadelvientorespectoalaseccindelapala:

Ilustracin7


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Aquapreciamoslasdistintasvelocidadesrelativasalolargodelamismapala:

Ilustracin8Velocidadesrelativas

Paraunexperimentodeeste tipo, tenemosquedefinirexactamentequycmo lo

vamosaensayar,paraqueluegoestosresultadospuedanservirposteriormente:

Condicionesatmosfricas:

o Presin1at=101325Pa

o Densidad1.225Kg/m^3

o Temperatura15C

o Viscosidaddinmicadelaireconstante1.7894e05Kg/ms

o FluidoNewtoniano

o Velocidaddeentradadelairealvolumendecontroluniformeentodala

superficiedeentrada,ydevalores inicialmentede7.3m/sparapoder

compararcondatosdetneldevientoyposteriormentede25m/s

Condicionesdelperfil:o PerfilSG6040de1mdecuerdayde1mdelongitud


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Ilustracin9Modelopala3D

Condicionesdelflujo:

o Flujolaminaroturbulento:

CalculamoselnmerodeReynoldsencadaunodeloscasos:

Ecuacin1

7,3 Re 0.5 10

2 5 Re 1,7 10

Para estos valores del nmero de Reynolds el rgimen es

turbulento.

o Flujo estacionario o no estacionario. Lo vamos a estudiar de las dos

formas.

o Flujoviscoso

o Flujoincompresible,puesdadalabajavelocidadrespectoalavelocidad

delsonido,suvariacindedensidadesinsignificante

o Flujo isotermo,pues sondespreciables los cambiosde temperatura a

estasvelocidades

III.2ECUACIONESDELAMECNICADEFLUIDOS

Comopodemosprever,alsometerelperfilaestascondicionesdeviento,aparecern

ciertasfuerzasqueintentaranalejarlodesuposicininicial. Estasson:


27/103



Fuerza de sustentacin Fuerza que aparece en direccin perpendicular al

viento provocando la elevacin del perfil. Esta aumenta con el ngulo de

ataque,einteresaqueseaelevada.

Fuerza de arrastre Fuerza que aparece en la pala en misma direccin del

viento.Lapalaejerceuna fuerzasobreelviento igualydesentidocontrario,

frenndolo.Estafuerzainteresaquesebaja

Momentoqueapareceenelcentrodegravedaddelperfil, intentandoquese

gireparaquelasustentacinseanula.

9090

Ilustracin10Fuerzasqueseproducenenlapala

1. CoeficientedeSustentacin:

Uc

Ecuacin2 Cl

Donde L es la fuerza (por unidad de longitud) perpendicular a la velocidadrelativa del viento respecto al labe. U es la velocidad del viento, es ladensidadyceslacuerda.

2. CoeficientedeArrastre:

DU

cEcuacin3 Cd

Donde D es la fuerza de resistencia (por unidad de longitud) en direccin

paralelaalavelocidadrelativadelvientorespectoallabe.

3. CoeficientedeMomento:

MU

c


28/103



Ecuacin4 Cm

DondeMeselmomentoquesufreelperfilporunidaddelongitud

AhoravamosavercmopodemosmedirL,D,M,ydedondevienenesasfuerzas.

Lasecuacionesquedescribenestosfenmenossonlasecuacionesdeconservacinde

lamecnicadeFluidos:

EcuacindeConservacindeMasa(odecontinuidad)

0

Ecuacin5

Estaes la formadiferencialde laecuacinde laconservacinde lamasayes

vlidaparaflujostantocompresiblescomoincompresibles.

Ecuaciones de Navier Stokes para flujos incompresibles: (en formulacin

vectorial,puesson3ecuaciones,unaencadaeje)

Ecuacin6

Dondep es la presin esttica, y es la fuerza de volumen debida a lagravedad.

Normalmentelasueleservariable,asiquetenemos4ecuaciones(continuidadylas

3deNavierStokes con5incgnitas.Demodoquenecesitamosdeotraecuacinpara

queelproblemasearesoluble;estaesunaecuacindeestado:

,

Ecuacin7

Elfenmenodelaturbulenciaprovocaquelosflujossecaractericenportenercampos

develocidad fluctuantesen tiempoyenespacio.Estas fluctuacionesde lavelocidad

hacenque tambin flucten laspresionesy laenergadecadapuntodel flujo.Estas

fluctuaciones pueden ser a pequea escala y de alta frecuencia y son por lo tanto

difciles de calcular. Para solventar este problema las ecuaciones de Navier Stokes

exactas se simplifican para que sean ms fciles de resolver, introduciendo nuevas

relacionesentrelasvariablesexistentes.

Estasrelacionessonempricas,yningunadeellasesuniversal.Cadaunadeellasdefine

un modelo de turbulencia que es ms preciso o menos precioso, y que se adapta

especficamenteacadatipodeflujoturbulento. Portanto laeleccindelmodelode

turbulenciadependede las consideracionesque sehagan,de las caractersticasdel


29/103



flujo,delniveldeprecisindeseadoenlasolucinascomodelacapacidaddeclculo

delsistemainformticoydeltiempodisponibleparasuresolucin.

En este trabajo se han utilizado alternativamente los modelos de turbulencia k,

SpalartAllmarasymodelosdetipoLES.

III.3MODELOSSIMPLIFICADOS

Enfuncindeltipoderesolucin,tenemosdosfamilias.

DNS Resuelven las ecuacionesdependientesdel tiempo directamente y en

cadaescaladetamaoydetiempo,dandounarespuestarealencadacelda.

LES Resuelven las ecuaciones segn la escala que define la malla, y los

fenmenosdetamaoinferior,losmodela.

RANS lasqueresuelvenlasecuacionespromediadaseneltiempo.

III.3.1 DNS(DirectNumericalSimulation)

Estosmtodos resuelvenendetalle todas lasescalasdel flujoque tiene lugarenel

dominiodeclculo.Paraello,esnecesarioutilizaruntamaodeceldasuficientemente

pequeoquepermitasimularlostorbellinosdeescalaspequeas,loquehaceque,en

lamayoradeloscasos,elcostecomputacionaldeestosmtodosseaprohibitivo.Los

tiemposdeclculoseranexcesivos,por loque loshacenen lamayorade loscasos

inviables.

III.3.2 LES(LargeEddySimulation)

Son modelos que resuelven la turbulencia en todas las celdas de la malla, y los

fenmenos que ocurren con tamao inferior a la celda, los simula por un mtodo

estadstico.Porlotantoobtenemosunsistemamuchomseconmico.

Resuelvensistemasenrgimenturbulentoynoestacionarioconeldetallequepermite

eltamaodeceldadelamalla.

III.3.3 RANS(ReynoldsAveragedNavierStokes)

Son losmodelosmsprcticospara resolverecuacionesen flujosnopermanentesy

turbulentos, obteniendo resultados promediados en el tiempo. Es decir que las

fluctuacionesinstantneasnosevanaapreciarenlasolucin,solamentelamediade

talesfluctuaciones.Enloscasosenlosquenosonaplicablesestasecuaciones,sedebe

usarunmodelodetipoLES.DentrodelosRANShayvariosmodelosespecficos:


30/103



III.3.3.1 ModeloSpalartAllmarasEs un modelo relativamente simple, slo utiliza una ecuacin que resuelve el

transporte para la viscosidad cintica turbulenta. Este modelo fue diseado para

aplicaciones aeroespaciales, pero poco a poco ha ido ganando popularidad en

aplicacionesdeturbomaquinas.

OriginariamenteelmodelofueconcebidoparatrabajaranmerosdeReynoldsbajos.

Puedeser lamejoropcinensimulacionesdonde laprecisinde flujo turbulentono

seacrtica,yaquesloutilizaunaecuacin.Ademslosgradientescercanosalapared

de lasvariablessonmspequeosque losgradientesen losmodelosk yk,este

hechohacequeelmodelosea menossensiblealerrorqueseproduceenlascercanas

delasparedes.

III.3.3.2 ModelokEselmodelodeturbulenciacompletomssimple,utilizadosecuaciones,unaparael

transporte de energa cintica turbulenta, y otra para la velocidad de disipacin

turbulenta. Sehaintentadomejorar,crendosevariantesdeestemodelos;elmodelo

k RNGyelmodelok realizable.

Debidoasusimplicidadeselmsutilizadoen ingeniera(sobretodoensimulaciones

deflujosindustrialesydetransferenciadecalor).Ademsdesusimplicidadtambines

robusto, econmico y razonablemente preciso para un amplio rango de flujos

turbulentos.

III.3.3.3 ModelokEstemodeloestbasadoenelmodelok Wilcox,elcual incorporamodificacionesparanmerosdeReynoldsbajosyparaflujoscompresibles.Usadosecuaciones,una

para el transporte de la energa cintica turbulenta y otra para la velocidad de

disipacinespecficadelaenergacinticaturbulenta.Existeunavariacindelmodelo,

llamadamodelok SST.

III.3.4 ComparacindeModelos

Sicomparamoslastresfamilias,estassonlasventajasylasdesventajasdecadauna:


31/103



Familia Ventajas Desventajas

RANS Consigueresultados

razonablesutilizandomallas

gruesas

Permitesimplificarelmodelo

a2D Eltiempodecomputacines

reducido

Soloconsigueresultadospara

lneasdeFlujopromediadas

eneltiempo.Noescapazde

medirlafluctuacin.

Necesitamodelosdecierrequenecesitansercalibradosa

priori,conposibilidadde

introduccindeerrores.

LES Calculacaractersticasdeflujo

nopermanente

Resuelvelasescalasgrandes

Modelalasescalaspequeas

Requieresimulacinen3D

Elcostedeclculo

computacionaleselevado

DNS Nonecesitamodeloparala

turbulencia

Esunaherramientaquesirve

paraestudiaryvalidarlos

modelosRANS.

Elcostedeclculo

computacionalesexcesivo

Requiereunestudiomuy

prolongadoeneltiempo,pues

losresultadosvaran cada

vez.Tabla1ComparacindeModelosdeturbulencia

Parece que cada familia tiene un sector claro de trabajo. En funcin de lo que

queramoscalcularcogeremosunmodelouotro.Segnvemosenelgrafico,segnel

modelo podremos apreciar las variaciones dependientes del tiempo de pequea

escala,degranescala,oninguna,esdecirpromediandotodaslassingularidades:

Ilustracin11Aproximacionesquerealizanlosmodelosdeturbulencia


32/103

METODOLOGA|CARACTERIZACINDEUNPERFILAERODINMICOMEDIANTECFD


IV. METODOLOGA

Ahora vamos a analizar cules, y como eselprocesode clculo. Tiene tresetapasfundamentales:

Diagrama2ProcesodeCalculo

Preproceso: Donde se construye la malla que reproduce la geometra real ydefiniendo todas lasceldasde lascualesqueremoscalcular losvaloresfsicos

que necesitamos. Se hace especial nfasis en los tramos de geometra ms

singulares,yenaquellaszonasen lasobtenersusvaloresesms interesante.

Aqutambinsedefinenlosvolmenesylassuperficiesdecontorno.

Clculo:Unavezconstruida lamallaenGambit, lacargamosenFluent,ytras

establecertodas lascondicionesdeclculoquecreamosnecesarias,ponemos

enmarchoelprocesodeclculoiterativo,hastalograrunaconvergenciadelos

resultados.Deno ser as volveramos a la fase anteriorhasta conseguiruna

mallaqueseadaptemejoralfenmenofsicoqueestamosestudiando.

Postproceso:Unavezconvergidalasolucin,pasamosalafasedeexpresarlos

resultados de muy distintas formas, secciones del fluido con datos de

velocidad, isosuperficiesdepresinconstante,grficosXYqueenfrentaados

variablesquenos interesen,comoporejemploelcoeficientedepresiny la

cuerda, animaciones en video de cmo varan esas caractersticas con el

tiempo,diagramasdetrayectoriasdepartculasrodeandoelobstculo,grficos

delneasdeflujoetc.

Elprocesodeclculonormalrequierevolveralafasedepreproceso,aretocarlamalla

cuando los resultadosno son satisfactorios.Esunproceso iterativo.Conel color se

expresa lacantidaddetrabajodedicadaacadafase.Alfinalelmalladoesloquems

cuesta,pueshayquerecurriraredefinirlamallaennumerosasocasiones.

Primero haremos un anlisis en 2D resolviendo las RANS segn SpalartAllmaras y

segn ke, y despus resolveremos en 3D las LES. Por consiguiente tenemos que

construirunamallaparaelclculoen2Dyotraparaelclculode3D.Asquelovamos

asepararyhacerunanlisisprimeroen2Dydespusen3D


33/103



IV.1ANALISIS2D

Lasfasessonlasmismas.

IV.1.1

PREPROCESO2D

Laconstruccindelamallaparaelcaso2Dsigueestospasos:

Diagrama3Procesodemallado2D

Ahora vamos a disear una malla que se adapte a nuestro estudio. Tenemos que

definirtodoelespaciodetrabajo.Esdecirelvolumendecontrolalrededordelapala.

EnnuestrocasotendrformadeDyuntamaode 25mdedimetrodeentrada,y

32.5mdeprofundidadtotal.

IV.1.1.1 DefinirGeometra1. Cargamos el archivo en Gambit, [File>Import>vertex data> SG6040.dat] de

dondevamosacogerlaposicindelos81puntosquedefinennuestroperfila

estudiar.PartimosdeunarchivodetextoSG6040.datquecontiene lospuntos

encoordenadas(x,y).Tieneestaforma:

81 21.00000 0.00010 0

0.99788 0.00048 0

0.99183 0.00207 0

0.98233 0.00477 0

0.96977 0.00845 0

0.95442 0.01283 0

0.93637 0.01766 0

0.91559 0.02285 0

.. .

1.00000 0.00000 0Tabla2Datos"tipo"deunperfil araser importadosdesdeGambit


34/103



Donde dice que hay 81 puntos con coordenadas (x, y, z), y los puntos van

ordenadosporramasdelperfil.Todoslospuntosestnenelplanoz=0

Ilustracin12Datosimportadosdesdearchivo.dat

1. Unavezcargado,debemoscrearunaNURBSsuperioryotra inferiorquepase

portodoslospuntos.Observandoeldetalledecola,queesunarectaquepasa

porlosdospuntosextremos.

Secuencia1 NURBS

NOTA:Elfinaldecolasehacedeestaforma,puescuando lamallaacabaen

punta,segeneraunpuntosingular,queesunafuentedeproblemas.

Ilustracin13NURBSyFinaldecola


35/103



1. Ahora creamos los puntos exteriores que limitan las zonas de flujo,

nombrndolosA,B,C,Denelsentidodelasagujasdelreloj:

Secuencia2Puntosporcoordenadas

PuntoValorenX ValorenY

A 11.5 0

B 0 12.5

C 20 12.5

D 20 0.001

E 20 0

F 20 12.5

G 0 12.5

V0 0 0

V1 0 0.001Tabla3Puntosquedefinenelespaciodeflujoaestudiar

NOTA: apartir de ahora mostrare las imgenes con los colores invertidos, as no

gastamostintaimprimiendo.ElGambittrabajaconelfondodepantallanegro

Ilustracin14Puntosquedefinenelespacioaestudiar

2. Ahorahayquecrear lasrectasquedefinirn4zonasdetrabajo, ladeentrada

del

fluido,

la

parte

superior

posterior

de

la

pala,

la

parte

posterior

de

la

pala

y

la

parteposteriorinferiordelapala.


36/103



a. Primero las lneasrectasapartirde lospuntosque las limitan,BC,CD,

DE,EF,FG,GV0,V0V1,V1B,V1D,V0Econelcomandolnea.

Secuencia3Rectaporpuntos

b. YdespusloaarcosinferiorysuperiorAByGAconestecomando

Secuencia4Arcocircular

c. Conesteresultado:

Ilustracin15Lneaslmite

3. Una vez creadas las rectas, y la curva del principio, definimos las cuatro

superficies seleccionando la geometra del contorno y asignndole tales

nombres.Lasuperficiesemicircular,seconseguirhaciendounsectorcircular

de180,yrestndolesegnunabooleana,laseccindepala.Esdecir:

a. Generamoslassuperficiessegnelcomando:


37/103


38/103



Ilustracin16SeccinEntradamenosPala

Unaveztenemoslasseccionesdefinidaspasamosalmalladodelasrectas.Cambiamos

depestaa,degeometraamallado:

Ilustracin17Barraseleccindeespaciodetrabajo

IV.1.1.2 DefinirMallaParamallarhacefaltatenervariascosasencuenta:

Existenvariostiposdemallados.Losmsimportantessondos:

o Estructurados,derectngulosycubos

o DecarasTriangulares,odetetraedros

Ilustracin18MallasQuadyTri

Ambos

sistemas

son

muy

usados,

para

muchas

aplicaciones.

Cuando

la

geometraes sencilla, conpocos cambiosbruscosde forma, esmejor


39/103



utilizarlamallarectangularestructurada,puesconsigueresultadosms

precisos,esms ligeraymsrpidadeprocesar.Perocuando lapared

es ms irregular, y es ms difcil adaptar la malla rectangular

estructuradaa lapared,entoncesusaremoslamallatriangular,aunque

seamsimprecisayconsumamsrecursos.Ennuestrocaso,laparedes

sencilla y tiene pocas irregularidades, as que usaremos el tipo

estructurado.

Parapodermallaruna superficie,primerohayquemallar las rectasocurvas

queladelimitan.

Lossegmentosopuestosdelcuadrilteroquedefinelasuperficieamallar,debentener

el mismo nmero de nodos entre ellos. Sino la malla nunca ser creada. Hay que

conseguirunamatrizdenodos.

Ilustracin19MalladoQuad

Alahorademallarunarecta,hayquetenerencuentaquezonadelarectaes

laquevaaestarmscercadelapalaycualmsalejada.Puesnosinteresaque

elmayornmerodenodosestcercadelapala.Porconsiguiente,usaremosla

distribucindenodosa lo largodeunarectaquetienecomoopcinGambit.

Ahpodremosdecidirelnmerodenodosporrecta,laratiodecrecimientode

ladistanciaentrenodos,

Teniendotodoestoencuentaempezamosamallarlasrectas,ylascurvas:

1. Comenzamospor lapalaDa lapalasabemosque laszonasmscrticas,son

aquellas en las que aparecen los fenmenos ms singulares. En este caso

tenemos dos, la zona de desprendimiento de la capa lmite, y la zona de

impacto frontal.Por loquenos interesaunamallaqueseamsdensaporel


40/103

METODOLO

UNED|Ju

pri

di

yc

Y

Se

GA|CARAC

anContrer

ncipioyp

tribucin

onunnm

ntoncesn

leccionam

ERIZACIN

asMoreira

rel finaly

Iexponent

erodeceld

saparece

Ilustra

sdentro

d

Ilustracin

EUNPERFIL

menosde

(exponen

aseneldo

Secu

stapantall

cin20 Ma

los

desple

1Mallado

AERODINM

nsaenel

ialporlos

miniode1

ncia7

adeselecc

lladodeLne

gables,ace

delneassup

:

ICOMEDIAN

edio.Para

doslados),

0.

in:

slmite

ptamosyo

eriordepala

ECFDestovam

conunara

btenemos

38

sausar la

tiode0.9

sto:


41/103

METODOLO

UNED|Ju

Re

ra

Ah

po

la

Ah

la

zo

2. Ahre

de

ce

dedi

re

ce

3. Pa

Y

de entra

GA|CARAC

anContrer

petimosla

ioyelmis

oravamos

rproblema

goancho)

oraquete

pala,pero

asadyace

oramalla

tngulo,p

larcotien

ldadelap

las

rectas

tribucin

tasqued

lda(firstle

ramallarla

neste

me

a:

ERIZACIN

asMoreira

operacin

onmero

Ilustracin

amallarel

squeapar

esconveni

Ilustra

emoselc

notienes

tes.

oslasemi

erocomos

queserig

lalecorre

BV1yV0

eratiosuc

limitan la

gth)3E5.

superficie

seleccio

EUNPERFIL

onlacara

deceldas:

2Mallado

extremo d

cendespu

ntedividirl

cin23Ma

ntornode

ntido.Usa

ircunferen

iestuviese

alqueeln

ponderu

.Para

el

esivaporl

ona latera

notenemo

Secu

arlos

seg

AERODINM

inferior,co

superiorein

ecola.Esu

s(skewneanicame

lladodefinal

lapalamall

emos lam

ciadeentr

plegadoso

merode

naceldaen

arco120

sdoslado

lmente,10

smsque

ncia8

entosque

ICOMEDIAN

nlamisma

eriordepala

nalneare

sceldateendos

decola

ado,podr

alladelco

da.Vaas

relamita

eldasque

elarco.L

eldaspara

sdonder1

0celdasy

aceresta

delimitanl

ECFDdistribuci

ta,ypors

esproporciartes:

mospens

tornopar

rparecido

.Elnmer

elapala.

mismoco

cada

mit

=1yr2=1.1

tamaode

adenadec

asemicircu

39

,lamisma

tamaoy

nada

renmallar

mallar la

amallarun

odecelda

uesacada

lascelda

dcon

una

,yparala

laprimera

omandos:

nferencia


42/103

METODOLO

UNED|Ju

N

(c

m

4. AhV1

GA|CARAC

anContrer

s asegura

adriltero)

llada:

Ilu

orasegui

D,V0E,GF

ERIZACIN

asMoreira

Ilustr

mos que

. Entonces

stracin25

osmallan

, tienen la

EUNPERFIL

cin24M

en la c

pulsamos

Malladode

oel

resto

mismadis

AERODINM

lladodeSup

asilla se

Apply, y

emicircunfe

,los

secto

ribucine

ICOMEDIAN

erficies

lada est

btenemos

enciadeEnt

esrectang

ponencial

ECFD

seleccion

la primer

ada

ulares.Las

con ratio

40

ado qua

superfici

rectasBC,

.57,y120


43/103

METODOLO

UNED|Ju

ce

de

de

5. U

GA|CARAC

anContrer

ldas en el

limitanels

pala,divid

Il

aveztene

ERIZACIN

asMoreira

intervalo.

ectordeen

iendoend

ustracin26

ostodasl

Ilust

EUNPERFIL

Todas las

trada,yla

s.

Malladode

asrectasy

racin27

AERODINM

rectas vert

ltimarect

partesposte

losarcosm

alladoAcaba

ICOMEDIAN

icales, se

,laDEse

rioresdelaP

alladosco

do2D

ECFDmallan co

allacomo

ala

oenlafig

41

o las qu

elextremo

ra,


44/103

METODOLO

UNED|Ju

Ah

qu

mpa

de

co

El

IV.1.1.3Ahoraqu

contorno

airecuan

Enm

Sa Pa

GA|CARAC

anContrer

orachequ

e las celda

llano

es

rmetrosd

las distri

probamo

esultadoe

Cond

tenemos

alsistema.

ofluyaat

tradadel

dulo.

lidadelair

redesSu

ERIZACIN

asMoreira

Ilustr

amoslam

s estn de

vlida.

Ee lamalla

uciones p

s:

sOK.

cionesdtodos los

Hayqued

avsdela

ireEntr

Salidaa

erficiesli

EUNPERFIL

cin28De

allaparac

formadas

toncescu

aumenta

ra que lo

Secu

Contornspaciosm

cirlecomo

alla.Son

dadel

ai

presinco

a.

AERODINM

tallesdemall

lcularlas

acar un

andoda

elnmer

s errores

ncia9

llados, ten

sonlaspar

e3tipos

econ

vel

stanteat

ICOMEDIAN

ado2D

roporcion

rror (skew

seerror,

deceldas

en las cel

emosque

edes,losl

cidadcon

osfrica.

ECFD

s.SiGamb

ness) dicie

hayque

c

omodific

as desap

ponercon

itesquev

tanteen

42

itdescubr

ndo que la

ambiarlo

r lasratio

rezcan. Lo

icionesd

aatenerel

irecciny


45/103



Ilustracin29Condicionesdecontorno2D

1. Paraasignarlascondiciones,tenemosqueagruparlaslneasfronteraquesean

delmismotipo,paraasignarlamismacondicinatodas.Paraesocreamosun

grupollamadoVentradaotrollamadoPared,yotrollamadoPsalida:

Secuencia10

Y

nos

aparece

este

men:

Ilustracin30MenGrupos

2. Seleccionamos el tipo de geometra que queremos agrupar (lneas lmite

EDGES)yeneldesplegableelegimostodaslaslneasqueformanelcontornode


46/103



lamismacondicin.Lenombramoscomocorresponde.Habremoscreadotres

grupos,paralastrescondicionesdecontornonecesarias

3. Ahoratenemosqueasignarlacondicincorrespondienteacadagrupo:

Secuencia11

Aparece el siguiente men. Aqu tenemos que seleccionar cada uno de los

gruposyasignarlesucondicin.Tienequeestarseleccionadaeneldesplegable

Entity, la palabra groups. Y en Type seleccionamos o wall o

Velocity_inletoPresure_Outletsegncorresponda.

Ilustracin31Mendeasignacindecondicionesdecontorno

4. Exportamos la malla para trabajarla en Fluent. Asignamos en el desplegable

solver FLUENT5/6.Acontinuacin,File>Export>Mesh>SG6040.msh(casilla

2Dactivada,enrojo),obteniendoelarchivoSG6040.mshparaFluent.


47/103



IV.1.2 CALCULO2D

Cargamos el Fluent. Lo primero que hacemos es seleccionar la dimensin y la

precisindeclculoautilizar:

Ilustracin32SeleccindeDimensionesydeprecisinenFluent

Esdecirlaopcin 2DDP2DDoublePrecission)

Lospasosarealizarsonestos:

Modelo de resolucin

Segregado acoplado

Flujo perman. - No perman.

Turbulencia

SA, k-

Control de la solucin

Discretizacin, relajacinComprobacin

Definir modelo Control de los resultadosLectura de MallaClculo

Materiales

Aire, ,

Condiciones de operacin

Presion

Monitorizacin de resultados

Residuos, Criterios de

convergencia

Inicializar solucin

Resolver

Iterar

Valores de referencia

Condiciones de Contorno

Velocidad de Entrada

Ilustracin33

IV.1.2.1 LecturadeMalla1. Cargarmalladesdearchivo.[File>Read>Case]yseleccionamosSG6040.msh

2. Chequeamoserroresdemallaylacorrectalectura:[Grid>Check]Stodoest

correcto,tienequedevolverDONEsinningnerror.

3. Observamoseltamaodelamalla[Grid>Info>Size]Obteniendo50000celdas

deresultado.

4. Comprobamosqueha importado correctamente las condicionesde contorno

[Define > Boundary conditions] y en el men, tienen que aparecer 5 zonas,

Entrada,Salida,Pala,Fluido,ydefaultinterior.


48/103



IV.1.2.2 DefinirModelo4. DefinirmodelodeResolucin[Define>Models>Solver]

a. SegregadooAcoplado

Segregado, resuelve las ecuacionesde continuidad y demomentode

forma segregada y secuencial,esdecirprimerouna, y el resultado lo

introduceenlaotrayluegoalrevs.

Acoplado,resuelvelasdosecuacionesalavez.

Se dice que el modelo acoplado es imprescindible para casos

compresibles, y nmero de Mach superior a 0.3, pero consume ms

recursos de computacin. Para casos incompresibles se suele usar el

modelosegregado,queeselquevamosaelegirnosotros.

b. Flujopermanenteonopermanente(Unsteadyorsteady)

Elegimostambinsielflujoespermanenteonopermanente.Elegimos

permanentepueselnopermanente lovamosa resolveren3Dconel

modeloLES.

5. Elegimosmodelodeturbulencia.[Define>Model>Viscous]c. EnelprimercasoelegiremosSA

d. Enelsegundocasoelegiremosk.

i. Realizable ( el ms adecuado y ms preciso para modelos de

bajoReconseparacindelacapalmiteyrecirculacin)

ii. Enhanced wall treatment para predecir correctamente lo que

ocurredebajodelacapalmitecuandoestasehaseparado.Esta

opcin necesita que la funcin y+ adquiera un valor 1, y

siempremenorde5.(Estafuncinexplica ladependenciade la

mallaenlosresultadosobtenidos.

Ecuacin8

(ues la velocidadde friccinms cercana a lapared, yesesa

distanciade la velocidad, y es la viscosidad cinemtica).Este

valorhayquecomprobarloaposterioriparaasegurarlabondad

delosresultados.


49/103



6. Definimoslosmaterialesqueinfluyen.[Define>Materials]

e. Aire

f. 1.225kg/m^3(pordefecto)

g. 1.7894e05Kg/ms(pordefecto)

7. Definimoslascondicionesdeoperacin:[Define>OperatingConditions]

h. Presinabsoluta101325Pa

8. DefinimosCondicionesdecontorno:[Define>OperatingConditions]

Ilustracin34MendeCondicionesdecontorno

i. SeleccionamosEntrada,yvelocityInlet.Pueseseldatodeentradade

nuestrosistema.Apareceestemen:


50/103



Ilustracin35

j. Seleccionamos la forma de introducir la velocidad como magnitud y

direccin. Introducimos la velocidad del viento que vamos a medir,

7.3m/senuncasoy25m/senotro.Debajo introducimoselcosenodel

en ngulodeataqueen radianesen la componente xyel senoen la

componentey.Elngulodeataquevariarde 10a30.

IV.1.2.3 ControldelosResultados1. ControldelaSolucin:[Solve >Controls>Solutions]yapareceestemen:


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Ilustracin36

a. AcoplamientoPresinyVelocidad:ElegimosSIMPLE,porqueelmodelo

esdeflujopermanente.ENelcasodenopermanentedeberamoselegir

el PISO.

b. Mtodosdeinterpolacin(Discretization)

i. Para la presin usaremos PRESTO, que es el mtodo ms

adecuadocuandolamallaesdecuadrilteros/cubosycuandoel

flujoesincompresible.

ii. Para el resto de valores usaremos siempre SECOND ORDER

UPWIND,queeselmtodomslento,peroelmspreciso.

2. Controldelosresultados:

a. Monitorizacindelosresiduales:[Solve>Monitors>Residuals]


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Ilustracin37

Aquasignamosloscriteriosdeconvergenciaparalasdistintasvariables.

Todos los valorespara clculo en2D losdejamosen1e6.En cuanto

todos losvaloresresidualesdeunaiteracinestnpordebajodeestos

lmites,

se

dar

por

convergida

la

solucin.

Tenemos

que

dejar

marcadaslacasilladePrintyladePlot,paraqueexpreseenpantallalos

resultados,yparaqueal terminar la iteracin guarde laevolucinde

losresiduos enunarchivodetexto.

b. MonitorizacindeCl,CdyCm[Solve>Monitors>Force]

Ilustracin38


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Aquintroduciremoslosdatosdeladireccinenlaquequeremosmedir

loscoeficientes,esdecir:

Cl Perpendicularalngulodeataque (sen(AoA), cos(AoA)

Cd ngulodeataque (cos(AoA),sen(AoA))

Cm Centrodegravedad (0.3,0)Tabla5

Enestecasolomismoqueantes,seleccionamosPrintyPlotparaverla

evolucindeestosvalores a lo largode las iteraciones,yparaque al

acabarsaquelaevolucinaunarchivodetexto.

c. Asignarvaloresdereferencia.Aquseasignan losvaloresdereferencia

sobre loscualesvamosacalcular loscoeficientes. [Report>Reference

Values]

Ilustracin39


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ESdecir, ledecimosque vamos a calcular cl, cd, y cm apartirde los

datosdeVentrada.SeleccionamoseneldesplegablelaopcinEntrada,

ypulsamosApply.

3. Resolver.Ahoravamosaponerenmarchaelclculo.

a. Primero Inicializamos el problema. Es decir que todos los datos

introducidoshastaahora,pasena formarpartededelcasoaresolver.

[Solve>Initialize>Initialize]

Ilustracin40

b. Iterar.[Solve>Iterate>

Ilustracin41

Ponemos 10000 iteraciones, para no quedarnos cortos, aunque

normalmentelassolucinosedetieneporalgntipodeerror,oconvergeantes.

Estossonlosresidualesqueaparecenencualquiertipodeiteracin:


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Ilustracin42

IV.1.3 POSTPROCESO3D

Eneste apartado vamos aextraer los resultadosquebuscamosde cadaunode los

casosresueltos.ApartedeCl,CdyCm,necesitamoscomprobar:

Lafunciny+quenoshablardelabondaddelresultado

Lneasdecorriente

Coeficientedepresin Contornosdevelocidad

Vectoresdevelocidad.

IV.1.3.1 Funciny+Comohemosdicho queusaramos lamodalidaddentrodelModelo SAo el k del

EnhancedWallTreatment,enelquesehaceespecialhincapien loqueocurreen lapareddelapala,paraqueestosresultadosseancoherentes,estodebeiracompaado

deunamallacuyos resultadosnosaseguranque la funcinadimensionaly+estaen

tornoalaunidadysiempremenorque5.

[Plot>XYplot]ysaleestemen:


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Ilustracin43

SeleccionamosTurbulencia,Wallyplus,yaestudiarsobrela superficiePALA.

Encadacasoobtendremosalgoparecidoaesto:

Ilustracin44

IV.1.3.2 LneasdecorrienteParapoderobservarcomoseraelflujoalrededordelperfil:

[Display>Pathlines]


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Paracalcular las lneasdecorrientenecesitamos indicar lasfuentesde lascorrientes,

para que la mquina calcule las trayectorias. Lo que vamos a hacer es crear un

segmentodelantedelapala,delcualvanapartir100lneasdecorriente.Yveremosel

resultado.Primerolasfuentes,ydespuslaslneasdecorriente.

1. FuentesdelaLneasdecorriente(Rake)[Display>line/rake]

Yapareceestemen:

Ilustracin45

Ahoracreamosunsegmentocon100puntosfuente.Elsegmentotendrcomo

punto de partida P0 (1, 1) y punto final P1(1,0.5). Y tendr 100 puntos

distribuidos uniformemente. Pulsamos crear, y habr creado un segmento

llamadorake1.

2. LneasdeCorriente(Pathlines)[Display>Pathlines]


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Ilustracin

46

Elegimosque las lneasvengancoloreadas segn lavelocidad.Seleccionamos

rake1 como superficie de partida, y dejamos el resto de los datos, los que

vienenpordefecto.Obtendremosalgocomoestoencadaunodeloscasos:

Ilustracin47

IV.1.3.3 CoeficientedePresin.[Plot>XYplot]yapareceestemen:


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Ilustracin48

EntoncestenemosqueelegirenelejeYPresin>coeficientedePresin,yen

elejeX,elvectordireccin.SeleccionamoselperfilPala,yobtenemosesto(en

estecaso):

Ilustracin49

IV.1.3.4 ContornosdeVelocidadSeleccionamos[Display>Contours]


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Y en el men, elegimos Velocity, y en la sublista, elegimos Magnitude. Entonces

obtendremos un campo isolineas que delimitan superficies que tienen mdulos de

velocidadiguales.

Ilustracin50

Enestemen,debemosmarcarelnmerodepuntosenelmximo(levels>100),para

que el grfico sea interesante. Tambin marcamos la casilla filled, para que los

isocamposvenganrellenos.Comoesto:

Ilustracin51


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IV.1.3.5 VectoresdevelocidadAhoravamosaobservarlosvectoresvelocidadencadapunto.[Display>Vectors]

Ilustracin52

Elegimos[Vectorsof>Velocity]yenlasublista,[Colorby>Velocity]

Modificamos el factor de skyp y ponemos 10, y modificamos tambin la escala y

ponemos100.Obtenemosesto:


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Ilustracin53

Ilustracin54


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IV.2Anlisis3D

Elenfoquedesdeelpuntodevistade las3dimensionesesmuysimilaralanlisisen

2D. Voy a remarcar sobretodo los conceptos que varen por no repetir otra vez la

mismaidea.

IV.2.1 Preproceso3D

Partiendodelamallaen2Ddebemoshacerunaextrusinparapasardesuperficiesa

volmenes.Esteseraelproceso,peronosvamosacentrarnicamenteenlascasillas

rosas,pueslasanterioreslashemostratadoenelpreproceso2D.

Diagrama4

IV.2.1.1 DefinirGeometra1. Volmenes:

a. Partiendodelafigurafinaldel2D,ahoranecesitamosunvolumen.Para

locualvamosahacerunaextrusin:

Secuencia12

Enelmendelaextrusinseleccionamostodaslassuperficiesquetenamosen

2D, y seleccionamos el vector de la direccin de la extrusin, de (0,0,0) a

(0,0,1).


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Ilustracin55

Tenemosquedejarsinmarcar lacasilla deextruir lamalla.Porquesinonos

genera una malla en 3D con una sola celda en la direccin z. Y nosotros

queremosalmenos10.Obtenemosesto.


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Ilustracin56

IV.2.1.2 DefinirMallaAhorahayquemallartodaslassuperficiesquehanaparecidonuevas.Paraello

hayquehacerlomismoqueantes.Mallamoslasrectasylosarcosigualqueen

2D,conelmismonmerodeceldasy lamismadistribucin.Ytodas lasrectas

quehansurgidonuevas,quetienendireccinz,sedebendividiren10partes

uniformemente.

Para mallar las superficies no tenemos ms que seleccionar las rectas que

delimitancadasuperficieycrearlamalla.

Cuando tenemos todas las mallas 2D definidas hay que mallar en 3D. Eso

significaquehayquemallarlos4volmenesquehaydefinidos:

VolumendeentradaSemicilindro

Volumenposteriorsuperiordepala.PrismaRectangular

VolumenposteriorExtremodepala.PrismaRectangular

Volumenposteriorinferiordepala.PrismaRectangular

1. MalladodeVolmenes:

Secuencia13

Yenelmen,seleccionamoslos4volmenesquequeremosmallar,dejandoel

delapala,quenonosinteresasumalla,puessucondicinesdepared.


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Ilustracin57MendemalladodeVolmenes

Obtenemosesto:

Ilustracin58 Malla3D

IV.2.1.3 DefinirCondicionesdecontornodeSuperficiesAhoraigualqueen2Dtenemosqueasignarpropiedades acadaseccin(antesrectas

yarcos,ahorasuperficies)porlasquepasaelfluido.Tenemosquedecirlealprograma


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pordondeentra,conquchoca,pordondesaleAsqueagrupamoslasseccionesque

seande entrada, lasque sonde salida, y lasque sondepala.Ahora aparecendos

seccionesnuevas,quesonlascaraslaterales.Tenemosquedecirlequesonplanosde

simetra.

Ilustracin59CarasdeSimetra

1. Asqueenelmendelascondicionesdecontorno,asignamosaestasdoscaras

lacondicindeserplanosdesimetra:

Secuencia14

Yseleccionamoslascaras:


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Ilustracin60Mendelascondicionesdecontorno

2. Ahorachequeamoslamalla.Comoen2D.

Secuencia15

Resultadook

3. Exportamos la malla. Asignamos en el desplegable solver FLUENT 5/6. A

continuacin, File > Export > Mesh >SG6040.msh (casilla 2D desactivada, en

gris),obteniendoelarchivoSG6040.mshparaFluent.


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IV.2.2 Clculo3D

Elclculoen3Dsermuysimilaral2Dconunpardediferencias.Losclculosseharn

segnelmodeloLES,segnflujonopermanente,yloscriteriosdeconvergenciasern

untantomslaxos.Nosvamosacentrarenlosaspectosquesondiferentesdelclculo

2D.Elprocesodeclculoseraeste:

Modelo de resolucin

Segregado acoplado

Flujo perman. - No perman.

Turbulencia

SA, k-

Control de la solucin

Discretizacin, relajacinComprobacin

Definir modelo Control de los resultadosLectura de MallaClculo 3D

Materiales

Aire, ,

Condiciones de operacin

Presion

Monitorizacin de resultados

Residuos, Criterios de

convergencia

Inicializar solucin

Resolver

Iterar

Valores de referencia

Condiciones de Contorno

Velocidad de Entrada

Diagrama5

IV.2.2.1 DefinirModelo1. Modeloderesolucin:

a. Segregado

b. Nopermanente

c. ModeloLES.Elmodelode submallaWALE,esdecirelque modela lo

queocurreatamaomenorquelacelda.

2. ControldelaSolucin:[Solve >Controls>Solutions]yapareceestemen:


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Ilustracin61MenControldelasolucin3D

Donde seleccionamos acoplamiento presin Velocidad PISO (idneo para

flujos no permanentes). Tambin desactivamos la casilla de Skewness

Neighbour

Coupling.

No

hemos

conseguido

resultados

con

esta

correccin.

Para la presin seguimos con PRESTO, y para el momento, la opcin por

defecto. Laopcin STANDARD esms estable,peroporuniformidad,hemos

realizadotodoslosensayosconPRESTO.

IV.2.2.2 Controldelosresultados:Enestecaso,cuandousamosunmodeloLES,lasolucinquevamosaobtener

es dependiente del tiempo, y para que el resultado sea medianamente

apreciable, debemos resolver al menos un segundo de lo que ocurre en la

realidad. Eso implica que tenemos que usar un paso de 0.01 s para que la

evolucin de paso a paso tambin se aprecie. Por lo que para un segundo

necesitamosalmenosresolver100casos.Sicadacasoqueresolvamosen2D

requeraunas2000iteraciones,resolveruncasoconunmodelo3Dtangrande

podrallevarnosmeses.Porloqueahoratrataremosdedarmsimportanciaal

nmerodepasosquea laprecisindecadapaso.Generalmente los residuo

suelenrondarentrolos0,01ylos0,001,paraunas30iteraciones,queespoca

precisin,pero teniendoencuentaquecada iteracinconLESsonunos20s,cada paso nos lleva 10 minutos. Si queremos resolver 100 pasos, son 1000


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minutos, lo que son 16 horas de computacin con un ordenador de triple

ncleo trabajando en paralelo con 4gb de RAM. Por lo que definitivamente

sacrificamosunpocolaprecisinporlaapreciacineneltiempo.

Ilustracin62MenMonitorizacindelosResiduosen3D

Asquedefinimosloscriteriosdeconvergenciacomoapareceenlailustracin.

3. DefinicindeAnimacin

Puestoquenuestroresultadovaaserunasecuencia,tenemosquedefinirque

queremosrepresentarencadapaso.[Solve>Animate>Define]

a. Aumentamossecuenciasa1,yconfiguramosparaqueseguardecada

paso,nocadaiteracin.


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