Empleo de métodos numéricos para el mejoramiento de rotores en turbinas eólicas

Síntesis

Este Trabajo de Diploma discute la utilización de los softwares de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta alternativa a la utilización de los túneles de viento, para la simulación y obtención de los parámetros aerodinámicos del comportamiento de rotores eólicos de aerogeneradores horizontales. El autor realizó un estudio de los antecedentes de las simulaciones de rotores eólicos en el mundo y para Cuba, logrando detectar los principales problemas existentes en nuestro país para la simulación computacional de estos rotores. Las dificultades que fueron analizados mostraron el poco dominio de los softwares CFD y el desconocimiento de los métodos de simulación de rotores.

Se propuso implementar la simulación de un rotor tripala de geometría recta con perfil NREL S809, mediante la solución con el software CFD ANSYS-CFX 14.0, que emplea el método de solución de los volúmenes finitos.

La construcción de la geometría de la pala, el dominio computacional, se realizó con el ANSYS Design Modeler y el mallado se hizo con la aplicación ANSYS Meshing, obteniéndose una malla tetraédrica no estructurada con buen refinamiento.

Se implementó en ANSYS-CFX uno de los métodos que actualmente se emplean para la simulación de rotores eólicos, denominado Múltiples Sistemas de Referencia que soluciona las ecuaciones de flujo de fluidos sobre la malla de sistemas de referencia cambiantes.

Los resultados de la solución de la simulación mostraron las velocidades de viento en estela, la presión que ejerció este viento sobre la pala rígida.

Abstract

This Diploma work discusses the use of software Computational Fluid Dynamics (CFD) as a tool alternative to the use of wind tunnels for simulation and obtaining aerodynamic parameters of wind turbine rotors horizontal.

The author conducted a survey of the history of simulations of wind rotors in the world and to Cuba, managing to detect the main problems existing in our country for computer simulation of these rotors. The difficulties that were analyzed showed little command of CFD software and the lack of simulation methods rotors.

It proposed to implement the simulation of three-blade rotor of profile NREL S809 through the solution with CFD software ANSYS-CFX 14.0, which uses the method of finite volume solution.

Construction of the blade geometry, the computational domain is performed using ANSYS Design Modeler and meshing with the software ANSYS Meshing, obtaining a tetrahedral mesh with good refining unstructured.

Was implemented in ANSYS-CFX one of the methods currently used for the simulation of wind rotors, called Multiple Reference Systems that solves the equations of fluid flow on the reference mesh changing systems.

The results of the simulation solution showed wind speeds wake, the pressure exerted on the blade stiff wind.

Introducción general

El rápido desarrollo de la humanidad en las últimas décadas del siglo pasado ha estado vinculado directamente a la explotación de los combustibles fósiles, para fines industriales de transporte y generación de energía eléctrica, entre otros usos. Estos combustibles fósiles han sido objeto de la sobreexplotación y el derroche, acarreando consigo altísimos niveles de contaminación atmosférica y los efectos perjudiciales de esta, además de agotar las reservas existentes probadas de estos combustibles que no son de fácil renovación.

Debido a la contaminación creada por la combustión de estos combustibles y la posibilidad de su agotamiento en solo décadas es que el hombre se ha visto obligado a buscar alternativas de producción de energías, que no sean contaminantes e inagotables, con el fin de preservar los combustibles fósiles en sus yacimientos, y evitar la polución por la acumulación de CO2 en la atmosfera y el calentamiento global.

Dentro de estas fuentes de energías renovables que el hombre ha recomenzado a utilizar, encontramos la energía eólica. Este tipo de energía se ha utilizado desde hace siglos en los países de Europa y Asia con el fin de molinar el grano de trigo para producir harina para la elaboración del pan. Esto era posible gracias al ingenio de los molinos de viento los que aprovechaban el caudal de viento en sus aspas para producir energía mecánica en un eje y desplazar las grandes piedras que actuaban de molino. Estas máquinas con el tiempo fueron evolucionando y con la revolución industrial su uso se extendió a la extracción y bombeo de agua en los campos y ciudades. Posteriormente al descubrimiento de la electricidad y a fines del siglo XIX, ya comienza a utilizarse estos enormes molinos con el fin de generar energía eléctrica y almacenarla en baterías para otros fines.

Fue así, cómo cambio el viejo concepto de molino de viento, rústico y anticuado, por uno más acabado y moderno con materiales y tecnologías de la era espacial; nacían los aerogeneradores o turbinas eólicas. Para fines del siglo XX y la primera década del siglo actual se ha multiplicado el uso de estas enormes máquinas como tecnología comercial capaz de competir con los precios actuales de los combustibles fósiles y generando electricidad barata y limpia.

Pero aún estas tecnologías, con la ventaja de ser ecológica y limpia, no ha sido una alternativa por el bajo rendimiento; aprovechando menos de la mitad de la energía del caudal de viento, y teniendo momentos de no generación; cuando el viento no sopla, o su fuerza no es capaz de producir movimiento.

A pesar de las desventajas comprobadas, Holanda, una nación con tradición en el uso de los molinos de viento, con abundante recurso eólico y con sabiduría en el uso de las modernas turbinas eólicas, apostó por generalizar su uso para generar la mayor parte de la electricidad que consumen, montando un parque eólico de turbinas de eje horizontal fuera de su territorio, en el mar del norte.

En la actualidad existen prestigiosos centros de estudios, academias y laboratorios enfrascados en tareas de mejorar las tecnologías existentes de aprovechamiento del viento. Los estudios se concentran alrededor del diseño y fabricación de los rotores, encargados de extraer la energía del viento.

Los rotores eólicos se ubican de dos formas según el eje motriz son horizontales y verticales, construidos con una o múltiples palas, teniendo en su longitud secciones de uno o varios perfiles aerodinámicos. Los perfiles para estas máquinas en su mayoría trabajan por sustentación.

La determinación de las características aerodinámicas de los perfiles y rotores se hace en instalaciones de prueba llamadas túneles de viento. Estos túneles de viento son difíciles de construir por su alto precio y requieren instrumentos de medición muy precisos.

Hoy existe una alternativa para la realización de estas pruebas, más barata pero con cierta incertidumbre en sus resultados, conocida como Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluid Dynamic). Una ciencia que ha evolucionado gracias al desarrollo de la capacidad de cómputo de los ordenadores y a la verificación de sus resultados con las pruebas de laboratorio.

Esta ciencia está fundamentados sobre las teorías de la Mecánica de los Fluidos y la solución mediante ordenadores de las ecuaciones de diferenciales de Navier-Stoke, las que representan el modelo matemático que rige el flujo de fluidos, y relacionan magnitudes como velocidad, temperatura, densidad y presión con el tiempo. Están divididas en tres ecuaciones fundamentales (continuidad, momento y energía) e incluyen el efecto viscoso de las ecuaciones de Euler. (Benson, 2012)

La solución computacional de las ecuaciones está caracterizada por tres métodos de solución que son conocidos como: método de los volúmenes finitos, método de los elementos finitos y el método de las diferencias finitas. (Bernal y Orrego, 2007)

El método de los volúmenes finitos es muy utilizado actualmente por mucho de los softwares comerciales y consiste en la solución de las ecuaciones de flujo de fluidos sobre el volumen de la malla, de geometrías que representan físicamente un volumen finito del espacio. Estas mallas son una red que forma volúmenes de control dentro de la geometría del dominio computacional y puede ser descrita por varios tipos de elementos (hexaédricos, tetraédricos, piramidales y prismáticos) que se ajustan casi a la perfección sobre la geometría. (Carrillo y Castillo, 2006).

Muchos de los experimentos de simulación de rotores eólicos con software CFD están basados en el experimento UAE (Unsteady Aerodynamics Experiment) de un rotor bipala a escala real, de perfil NREL S809, realizado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL, National Renowable Energy Laboratory) en el túnel de viento NASA-Ames y considerado un hito para la implementación de mejoras a los estudios numéricos.(Dnyanesha, 2010).

Basados en los resultados obtenidos por NREL la comunidad científica ha experimentado la solución del rotor UAE con diferentes software CFD, buscando adaptar los solucionadores matemáticos al problema real físico. En estos intentos de calibración de los códigos CFD, los científicos han experimentado la utilización de las ecuaciones de Navier-Stoke para diferentes condiciones y propiedades de los fluidos, conocidas como modelos de turbulencias reduciendo algunos de los términos de las ecuaciones de flujo de fluido que permitan depreciar efectos como la viscosidad o intercambio de calor.

El autor considera que los problemas fundamentales están relacionados a la metodología empleada para simular los rotores. Autores como Sezer y Long (2006) han experimentado el método de malla dinámicas remallando la geometría aledaña al rotor y han obtenido buenos resultados en alguna de sus simulaciones. Pero estos resultados no han sido totalmente válidos. En una de sus simulaciones han encontrado problemas como la separación del viento de la superficie de la pala. Este resultado se debe a la utilización de un modelo rígido del rotor, que solamente considera el efecto de la acción del viento sobre las palas, sin considerar la deflexión posible que ocurre debido al efecto de la presión sobre la punta de las palas

Algunos de estos problemas han sido corregidos por Bazilevs et al. (2010). En este trabajo el colectivo de autores utiliza el método de simulación denominado Interacción Fluido-Solid (FSI, Fluid-Solid Interaction) sobre el rotor NREL 5MW offshore. Este moderno método consiste en una metodología compleja de simulación, que considera el efecto del viento sobre la estructura de la pala, calculando las cargas resultantes y la deflexión que ocurre sobre estas, efectuando luego un desplazamiento de la malla con el valor de la deflexión y otorgando el efecto de este desplazamiento al fluido, haciendo una interacción de dos vías.

En Cuba con el advenimiento de la revolución energética en la pasada década, se han puesto en marcha varios proyectos de utilización de energía eólica, distribuidos en parques eólicos experimentales y algunas pequeñas máquinas aportadas por la ONG CUBASOLAR a instituciones universitarias como el CEETA de la Universidad Central de Las Villas y la Universidad de Matanzas.

El aerogenerador donado no poseía el rotor, por lo que desde entonces el Grupo de Dinámica de Fluidos del Centro ha desarrollado múltiples esfuerzos en el diseño y construcción de rotores, transitando por varias etapas en busca de mejorar la eficiencia de la máquina en base a mejores diseño de su rotor. En estos momentos en Cuba no se cuenta con instalaciones de túneles de viento capaz de ensayar modelos de rotores eólicos, por lo que las geometrías diseñadas se han ensayado solamente por métodos computacionales.

Bajo estas condiciones García (2012) se propuso realizar la simulación de rotores eólicos con diferentes perfiles y diferentes geometrías de pala, en condiciones dinámicas haciendo girar el rotor dentro de la malla. Los resultados no fueron aparecidos debido a la falta de información y desconocimiento de los métodos de simulación que proveen los códigos numéricos disponibles en el CEETA.

Por estas razones el autor se ha propuesto en este trabajo la utilización de softwares CFD para el estudio de las características aerodinámicas de los rotores de pequeñas turbinas eólicas.

Teniendo en cuenta la situación problemática existente en el CEETA descrita, es que se propone la siguiente hipótesis de investigación:

Es posible ensayar mediante códigos CFD la interacción del viento con rotores eólicos de aerogeneradores horizontales y estimar las características aerodinámicas como las velocidades de viento en estela.

Objetivo general

Simular mediante software CFD la interacción dinámicas del viento con el rotor de un aerogenerador de eje horizontal en tres dimensiones (3D).

Objetivos Específicos

• 1. Estudiar la fundamentación matemática y método de trabajo de los códigos numéricos que utilizan la dinámica de fluidos computacional para simular la interacción entre el viento y el rotor de turbinas eólicas de tres dimensiones.

• 2. Definir un procedimiento para el ensayo de rotores eólicos en condiciones dinámicas mediante la utilización del método de sistemas de múltiples marcos de referencia implementado en el software ANSYS-CFX.

• 3. Obtener los resultado del ensayo numérico para un modelo geométrico de rotor eólico en tres dimensiones con tres palas de eje horizontal posicionado a barlovento.

Capítulo I:

Marco Teórico

Introducción

La simulación de rotores eólicos de aerogeneradores horizontales con métodos computacionales, es una vía factible de estimar las características aerodinámicas de los mismos, en condiciones variables, sin la necesidad de recurrir a la utilización de los túneles de viento. En este Capítulo se expondrá una panorámica acerca de los softwares capaces de simular rotores eólicos, y los sistemas de ecuaciones que lo soportan. Se expondrá además los métodos actuales utilizados para simular rotores eólicos.

¿Qué es CFD?

La Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluido Dynamic) es una rama de la Mecánica de los Fluidos que estudia los procesos físicos reales que ocurren en los fluidos (transferencia de calor, energía etc.) mediante el cálculo con ordenadores. Esta ciencia aplica disciplinas como el diseño, el cálculo ingenieril y la programación, utilizando modelos matemáticos, ecuaciones y técnicas numéricas para desarrollar códigos capaces de resolver los problemas físicos, dando una aproximación de la realidad.(Fernández, 2012)

Evolución histórica del CFD.

El CFD ha sido impulsado de manera directa por la evolución de la capacidad de cálculo de los ordenadores desde mediados del siglo pasado y por las herramientas y conocimientos proporcionados por la Dinámica de Fluidos Experimental y la Dinámica de Fluidos Teórica (EFD y TFD por sus siglas en ingles). (Bernal y Orrego, 2007).

Esta última ciencia comienza con la formulación de las ecuaciones que rigen la Mecánica de los Fluidos desarrolladas por Claude Navier (1785-1836) y George Stokes (1819-1903) cuando introdujeron los términos de transporte viscoso a las ecuaciones de Euler (1707-1783), dando lugar a las famosas ecuaciones de Navier-Stokes (Ecuación 1). Estas ecuaciones incluyen las leyes de la conservación para la masa, la cantidad de movimiento y la energía y a pesar de ser formuladas hace varios siglos, se constituyeron en un sistema acoplado, del que no es posible obtener una solución analítica única. Por lo que no tuvieron utilización práctica hasta la aparición de las computadoras en la década de los 60 del siglo pasado.

En sus inicios las computadoras solo se encontraban en laboratorios, y fue ahí donde se desarrolló el CFD, en el laboratorio nacional de Los Alamos (LANL) en EEUU. Esta institución fue pionera en la utilización de las primeras computadoras para correr los primeros códigos CFD. A principio de la década de los 70, en el Imperial College de Londres se comienza con el estudio del CFD, donde también son creados códigos basados en las investigaciones propias.

El primer código comercial con un fin general fue lanzado en 1981 por el Imperial College con el nombre de Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series (PHOENICS). Le sucedería en el 83 el lanzamiento del FLUENT, otro código comercial creado en EEUU. Estos códigos realizados marcaron el comienzo del desarrollo numerosas herramientas CFD. A principios de este siglo es que se van fusionando aplicaciones con múltiples fines. Ejemplo de esto es la adquisición del código CFX en 2003 y posteriormente en 2006 del código FLUENT por la compañía ANSYS Inc., líder mundial en el desarrollo de herramientas de análisis en el campo de la ingeniería asistida por computador (CAE), permitiéndole así adentrarse en el campo del CFD.

Fernández (2012) considera que la rivalidad entre los códigos CFD más potentes es solo entre las compañías ANSYS y la CAD Dassault Systems dueña del código STAR-CD y de la aplicación CD-adapco. Pero aun así esta rivalidad encuentra rivalidad entre códigos libres como el OpenFOAM, que están siendo desarrollados aún, pero muestran ya buenos resultados.

Trabajos anteriores con CFD en Cuba.

Cuba es un país en vías de desarrollo, que no cuenta con recursos naturales abundantes y pretende ampliar la utilización de fuentes renovables de energías en la generación de electricidad. La energía eólica ya está siendo estudiada en parques experimentales como el parque eólico de Gibara provincia Holguín, y en algunos centros de investigación como el CEETA (Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales) de la Universidad Central de Villa Clara y Centro Meteorológico Provincial.

El CEETA ha tenido por años la motivación de simular en condiciones reales, rotores de pequeñas turbinas eólicas, en busca de mejorar su eficiencia y por esto han buscado alternativas en los ensayando numéricos mediante el uso de software CFD, por no contar con un túnel de viento.

El autor investiga la aplicación de los métodos CFD sobre rotores eólicos de pequeña escala en el CEETA, en donde anteriormente se han concretado otros proyectos de estudios CFD sobre estas máquinas utilizando otros códigos.

Experiencias de trabajos anteriores utilizando software CFD se pueden mencionar la tesis Fariñas (2008) quien en su tesis de doctorado acerca los sistemas de orientación y protección por momento de cola en pequeñas aeroturbinas, utilizó el código Favent 1.2 y Fluent 6.3; Siverio (2010) comprobó la viabilidad del estudio con software CFD del comportamiento de perfiles aerodinámicos, utilizando los coeficientes aerodinámicos del perfil NREL S809 para compararlos con los resultados de la simulación en el software FLUENT 6.3; García (2012) es el último y más reciente de los trabajos realizados, que pese a esfuerzos por simular 6 rotores eólicos tripalas, de aerogeneradores de eje horizontal, con perfiles diferentes, y en condiciones dinámicas, para obtener la estela de vientos y los parámetros de coeficiente de arrastre y sustentación, no logró discretizar los dominios de 5 de los rotores, solo logró la simulación de un rotor mostrado en la Figura 1, pero no en condiciones dinámicas debido a que las líneas de corriente no tienen una trayectoria correcta. Todo esto debido a la falta de información del software utilizado ANSYS FLUENT 14.0.

Figura 1: Resultado de la simulación realizada por García (2012) en el CEETA.

El autor considera que estos trabajos anteriores han sido para Cuba un inicio en la utilización de los códigos CFD para el cálculo de elementos de pequeños aerogeneradores horizontales, y principalmente el trabajo de García (2012) quien se acerca a la simulación computacional de rotores eólicos de pequeñas maquinas utilizando CFD. Este autor intento simular rotores eólicos sin estudiar los métodos utilizados en la actualidad, y no contó con las potencialidades de otros softwares existentes en el CEETA para este fin.

Panorama de los códigos CFD en el CEETA.

En este centro se cuentan con software CFD adquiridos por diferentes vías y de código libre y comercial, tales como:

OpenFOAM: un software CFD de código abierto para plataforma Linux, que posee amplia documentación y buenos resultados obtenidos por la comunidad científica que lo usa. Presenta la limitante de ser una plataforma de consola, necesitada de programar las soluciones por medio de editores de texto. No es un paquete sólido de instalación, sino que es un software que instala solamente el solucionador, dependiente de otros softwares, instalables desde los repositorios Linux. En el CEETA se intentó utilizar, pero no prospero su uso por el desconocimiento del uso de las plataformas libres. Su adquisición se hizo del sitio oficial del software.

ANSYS: es una suite comercial de aplicaciones para simulación numérica que incluye software como el ANSYS CFX y el ANSYS Fluent, dos de los más potentes códigos de solución de problemas CFD. Cuenta con una interfaz de trabajo fácil e intuitivo, permitiendo a los usuarios visualizar en todo tiempo lo que sucede, no presenta ventanas de comando ni es necesario hacer grandes programaciones para solucionar. Esta suite ha llegado al CEETA por la vía de sitios de hackers que comparten estas aplicaciones comerciales. El repositorio de información del CEETA se cuenta con las versiones12, 13 y 14.0 en sus dos plataformas, 32 y 64 bit. Esta última versión se adquirió de una comunidad hacker nombrada Arcanosant.

Existe otro código también empleado para la simulación de rotores eólicos (Kaminsky et al., 2012), llamado SIMULA, un paquete comercial de la compañía Dassault Systemes con el software CFD Star-CCM+. De este paquete no se tiene experiencias, al no contar con una copia del mismo en el CEETA.

Se decidió entonces utilizar el código ANSYS CFX, para la realización de este trabajo, por ser el que más se adapta a los conocimientos del autor, y ser una plataforma sólida capaz de instalarse sin problemas sobre el sistema operativo Windows 7 de 64 bit, además de ser utilizado por Hartwanger y Horvat (2008) para simular rotores eólicos.

Fundamentación matemática de los softwares CFD.

Todos los software CFD, comerciales o libres, incluido los software del ANSYS, basan su metodología en la solución de las ecuaciones diferenciales de Navier-Stoke (Error! Reference source not found.), y que no tuvieron utilidad práctica en principio, por no tener solución analítica definitiva hasta la aparición de las computadoras que se pudo resolver este complicado sistema de ecuaciones.

Ecuación 1: Ecuaciones diferenciales de Navier-Stoke tridimensionales no estacionarias. Tomadas del sitio oficial de la NASA. (Benson, 2012)

Estas ecuaciones hacen una descripción de cómo se relacionan la velocidad, presión, temperatura y densidad en un fluido en movimiento. Son una extensión de las ecuaciones de Euler que incluye el efecto de viscoso de los fluidos y su movimiento.

Las ecuaciones de Navier-Stokes se componen de una ecuación de continuidad dependiente del tiempo para la conservación de la masa, tres ecuaciones de conservación del momento dependientes del tiempo, y una ecuación de conservación de la energía. Hay cuatro variables independientes en el problema, (x,y,z) son coordenadas espaciales de un dominio, y el tiempo t. Hay seis variables dependientes, la presión p, la densidad (, y la temperatura T (que está contenida en la ecuación de la energía a través de la energía total Et) y tres componentes del vector de velocidad; el componente u es en la dirección x, el componente v es en la dirección y, y w es el componente en la dirección z, todas las variables dependientes son funciones de las cuatro variables independientes.(Benson, 2012).

Solución computacional de las Ecuaciones de Navier-Stoke en ANSYS 14.0

Se han implementado tres formas de solución de este complicado sistema de ecuaciones (método de los volúmenes finitos, método de los elementos finitos y el método de las diferencias finitas). ANSYS utiliza el método de los volúmenes finitos en ambos de los solucionadores CFD que posee.

Método de los volúmenes finitos

El cuerpo analizado es dividido en pequeñas regiones como se muestra en la Figura 2 denominadas volúmenes de control caracterizado por el tipo de discretización. Las ecuaciones son evaluadas iterativamente en cada uno de estos volúmenes. El resultado de esta evaluación es la obtención de un valor aproximado de cada una de las variables en todos los puntos del dominio. (Bernal y Orrego, 2007)

Entre ANSYS Fluent y el ANSYS CFX existe una diferencia en cuanto al modo de evaluar las ecuaciones. Fluent lo hace en todo el volumen de control descrito por la maya, sin embargo el CFX lo hace en el nodo central descrito por dicho volumen. (Ansys, 2012a)

Figura 2: Volumen de control de una geometría mallada de una tubería. La celda representa un espacio físico donde se resuelven las ecuaciones de Navier-Stoke.

Metodología aplicada por el CFD.

Toda solución de un problema simulado con software CFD necesita atravesar tres etapas fundamentales (Figura 3); Pre-procesamiento, procesamiento o solución y pos-procesamiento (Pre-Processing, Solver, Pos-Processing por sus siglas en ingles).

Figura 3: Grafica ilustrativa del avance de las etapas de desarrollo de la metodología CFD.

La etapa de pre-procesamiento es la que define las características generales del problema simulación y requiere un entendimiento y control adecuado del fenómeno de tal modo que se garanticen resultados acertados.

A continuación son explicadas las tres etapas aplicadas por la metodología CFD:

Pre-Procesamiento

En esta etapa del desarrollo del problema es preciso atravesar tres momentos fundamentales que satisfacen la etapa de solución:

• Creación de un modelo CAD del dominio computacional que representa de manera física la situación experimental. Esta geometría es lo que se conoce como Sistema en Termodinámica y que describe visualmente al problema.

• Generación de la rejilla o malla (Grid) que se ajusta al modelo CAD anterior y según sea el caso estudiado se definen los tipos de mallas que conformaran la geometría. Este paso es fundamental en la obtención de buenos resultados en la solución.

• Por último está la definición física de los modelos, propiedades físicas y materiales que componen la simulación, las condiciones de frontera y los parámetros de solución.

Procesamiento

El procesamiento trae consigo la solución de las ecuaciones diferenciales parciales que son integradas de manera no interactiva, de tal modo que se aplican leyes de conservación de materia y momento a cada uno de los volúmenes de control que definen la región analizada. Las integrales planteadas son convertidas en un sistema de ecuaciones algebraicas por medio de una aproximación de cada uno de los términos presentes en la integral de la cual proviene. El cálculo iterativo, debido a la naturaleza no lineal de estos sistemas, conlleva a la obtención de los resultados que definen las variables en cada uno de los nodos presentes en la malla.(Bernal y Orrego, 2007)

Post-Procesamiento

La etapa de análisis e interpretación de los resultados obtenidos de la solución son presentados de forma visual sobre el modelo, con herramientas de contorno, líneas de corriente, trayectoria de partícula, campo de vectores y superficies 2D y 3D, de manera que pueden analizarse los dominios para obtener una perspectiva de la solución del problema.(Bernal y Orrego, 2007, Kumar, 2009)

Metodología CFD en ANSYS CFX

El ANSYS cuenta con potentes softwares vinculadas entre sí, con la finalidad de proveer al usuario un fácil intercambio (Figura 4). Estos poseen todas las herramientas necesarias para el trabajo en cada una de las etapas del desarrollo de las simulaciones.

El encargado de generar las geometrías de los dominios es el ANSYS Design Modeler (ADM), un software CAD de diseño paramétrico, especializado en generar geometrías de baja complejidad para simulaciones computacionales. Basado en el diseño de sólidos a partir de esbozos (sketch), y curvas 3D. Permite importar mediante desde ficheros externos las coordenadas de geometrías en el plano de esbozo, o en 3D. Permite además importar las geómetras sólidas y planas de otros softwares. Cuenta con operaciones básicas de extrusión (extrude), barrido (swept) seguimiento de contornos (Loft), así como de transformación de sólidos, mover, escalar, rotar, extracción y unión de cuerpos, entre otras.

Figura 4: Esquema del procesamiento con ANSYS CFX. Componentes en los que se divide el CFX. (Ansys, 2012a)

Para la discretización de los dominios, ANSYS posee dos software. El primero de ellos, el ICEM CFD, es el más potente de los software de discretización, permitiendo un control total sobre los elementos de la malla y las geometrías, con capacidad de mallado estructurado, pero requiriendo de un trabajo manual para la realización de la discretización. Pero el fundamental y más sencillo de manipular es el ANSYS Meshing (AM). Este software de fácil manipulación posee varios métodos automáticos para la creación de mallas, dependiendo de la aplicación de destino. El Meshing cuenta con cinco métodos de mallado (Automático, Hexaédrico, Tetraédrico, Barrido (Swept) y Multizona. Solo soportando malla estructurada para geometrías de barrido swept. Las geometrías swept, son objetos sólidos, que poseen un diseño que presenta la característica de tener una cara o un perfil que puede ser vista sin cambios de forma, a todo lo largo del objeto; ejemplo un cilindro con su cara inferior circular, es posible seguirlo hasta la cara superior, sin apreciar el cambio de la forma geométrica aunque la cara superior sea más pequeña, tal como muestra la Figura 5. Los demás métodos poseen malla tipo hexaedros, tetraedros o una combinación.

Figura 5: Geometría tipo swept, es posible seguir el perfil de la cara inferior hasta la cara superior.

El módulo CFX está compuesto por varios software que a continuación son descritos:

El pre-procesador CFX-Pre posee una base de datos de materiales con sus propiedades, con varios modelos matemáticos de turbulencias (k-epsilon, SST, LES, Spalart-Allmaras) utilizados en la bibliografía para la simulación de rotores en 3D. (Sezer y Long, 2006, Dnyanesha, 2010).

Incorpora las condiciones de fronteras de dominio como inlet (entrada del viento), outlet (salida del viento), wall (muro o pared), opening (dominio abierto a la atmósfera exterior), rotor-stator, interface de sustancias (sólido, liquido, gas). Posee un analizador que evita errores físicos si encuentra incoherencias en el ensamblado del problema, alertando a los usuarios donde se encuentran, además prevé la posibilidad de realizar estudios estacionarios y transientes con mallas estáticas y dinámicas, remallado del dominio y Movimiento de Múltiples Marcos (Sistemas) de Referencia (MFR, Multiple Frame Reference), Interacción Fluido-Sólido (FSI, Fluid-Structure Interaction), métodos que serán estudiados más adelante.

El solucionador CFX-Solver es un software que trabaja en capas inferiores a la vista del usuario, pero posee la aplicación administrador del solucionador o Solver Managent, encargado de mostrar el avance de las iteraciones y los resultados del monitoreo de variables dentro de la solución previamente establecidas en el CFX-Pre.

El CFX-Post es utilizado para visualizar los resultados de la solución presentando toda una gama de herramientas capaces de visualizar el procesamiento. Dentro de estas herramientas está las líneas de corriente, las que permiten visualizar dentro del dominio y con gradientes de colores, la variación del parámetro escogido (presión, temperatura, velocidad etc.), la herramienta contorno es capaz de visualizar los parámetros en las caras internas o externas del dominio. La herramienta campo de vectores permite ver magnitudes vectoriales como la velocidad del viento.

Todos estos códigos numéricos están integrados en un software general llamado ANSYS Workbench, Banco de Trabajo en español, que es el espacio de trabajo donde se van colocando los módulos o componentes. Este proceso será tratado más a fondo en el Segundo Capítulo.

Aplicaciones del CFX

Múltiples son los campos de aplicación del ANSYS CFX, casi tantos como sectores productivos existen, entre las que cabe destacar:

• Industria aeroespacial y defensa.

• Industria mecánica y automotriz. (Figura 6a)

• Industria manufacturera (moldes, plásticos).

• Industria Naviera.

• Biomedicina y deportes

• Electrónica magneto-eléctrica.

• Ingeniería civil e hidráulica (edificaciones, geología, reología). (Figura 6b)

• Predicciones climatológicas.

• Aplicaciones nucleares.

• Reacciones Químicas.

• Turbo maquinaria. (Simulación de rotores eólicos)

• Sistemas de calefacción y climatización.

Todo este amplio espectro de aplicaciones de este paquete CFD es posible gracias a las mejoras implementadas en los softwares por la compañía ANSYS. Basados en los trabajos realizados por la comunidad científica y sus años de experiencia, que han podido comparar los resultados de simulaciones reales con los resultados del ANSYS, enriqueciendo y aportando nuevas ideas y métodos de trabajo.

Figura 6: Algunos ejemplos prácticos de aplicaciones del software ANSYS CFX (Ansys-Portal, 2012). a) Fluido dentro del pistón, cortesía BMW. b) Líneas de corriente a través de una válvula computada con ANSYS CFX, cortesía de CADFEM GmbH.

En el caso de la aplicación del software ANSYS-CFX sobre la simulación de rotores eólicos, la mayoría de los trabajos basan su estudio en experimentos realizados a turbinas eólicas a escala real (UAE) en túneles de viento. Extrapolando el modelo físico de la turbina dentro del túnel, a un modelo matemático capaz de ser comprendido por el CFX, para evaluar las diferencias existentes e implementar mejoras.

Simulación de rotores eólicos

La estimación de las características aerodinámicas de los rotores eólicos de pequeñas máquinas se puede hacer mediante el uso de los túneles de viento, los cuales poseen un instrumental de alta precisión capas de arrojar pruebas con bajísimos porcentajes de error.

Cuba solo cuenta con un túnel de viento, a pequeña escala, enclavado en la Universidad de Santiago de Cuba el cual es utilizado para la calibración de anemómetros y veletas, por lo que es viable y necesario implementar el uso de software CFD para la simulación de rotores eólicos, con el fin de obtener las características aerodinámicas y conocer el comportamiento bajo las condiciones de viento existentes en nuestro país.

La simulación de rotores eólicos mediante CFD a nivel global posee un matiz alentador. Los mejores resultados alcanzados hasta ahora muestran la posibilidad de simular toda la estructura del rotor del aerogenerador horizontal, y permiten visualizar a la perfección los fenómenos que ocurren: como las velocidades de viento en estela (Figura 7), los campos diferenciales de presiones sobre las palas (Figura 8), deformación de las palas (Figura 9), torque tractor resultante (Figura 10). (Bazilevs et al., 2010).

Figura 7: Velocidad de viento en estela lograda a 0,8 segundos de simulación. (Bazilevs et al., 2010)

Figura 8: Campo diferencial de presiones sobre el contorno de la pala del aerogenerador NREL 5MW.

(Bazilevs et al., 2010)

Figura 9: Deflexión máxima de la pala del rotor NREL 5MW debido a la fuerza del viento incidente. (Bazilevs et al., 2010)

Estos resultados están realizados sobre el estudio transiente (a través del tiempo) del rotor NREL 5MW offshore de 126 m de diámetro, simulado con una velocidad angular de 12.1 rpm y con un viento incidente de 11.4 m/s.

El método de simulación utilizado por estos autores es denominado Interacción Fluido-Sólido (FSI, Fluid-Solid Interaction). Un método moderno introducido por este colectivo de autores en la simulación de rotores eólicos, y que arroja muy buenos resultados con gran fidelidad.

Figura 10: Campo vectorial de tracción sobre la pala del rotor NREL 5MW. Vista superior de una de las palas: es posible apreciar el aumento de la presión denominada tracción ejercida desde la raíz hasta la punta. (Bazilevs et al., 2010).

La simulación del rotor NREL 5MW offshore se realizó dentro de un dominio de 120° de amplitud con periodicidad sobre el eje de rotación, lo que les permitió extrapolar los resultados a 360º, evitando simular la geometría del dominio con las tres palas del rotor y así optimizar el uso de la capacidad de almacenamiento y de cómputo. (Figura 11)

Figura 11: Malla hexaédrica controla sobre el dominio de 120º que contiene al rotor NREL 5MW.

La malla utilizada es estructurada de elementos hexaédricos altamente refinada cerca de la superficie del dominio del rotor, teniendo un total de 1 449 000 volúmenes de control. Todo el cómputo de esta simulación se hizo en paralelo en un clúster Linux de la ciudad de Texas en Estados Unidos, con la ayuda de 240 procesadores y un total de 62 976 núcleos de procesamiento.

Evaluando este tipo de simulación, el autor considera imposible realizar algo de esta magnitud en el CEETA, debido al desconocimiento del proceso de ensamblaje físico de las simulaciones FSI. Este conocimiento no forma parte de las publicaciones de los autores del trabajo. Ellos solo muestran los resultados obtenidos y los métodos utilizados, pero nunca hacen alusión al software que utilizan, ni las herramientas con que trabajan. También es imposible de realizar este tipo de simulación, por el escaso volumen de cómputo existente, pues tan solo se cuenta con tres computadoras de 4 núcleos cada una, capaces de soportar estos softwares.